刮板輸送機驅動鏈輪結構改進優化

雷春福

(山西汾西正文煤業有限責任公司，山西 孝義 032302)

刮板輸送機是煤礦井下采掘運輸的主要設備之一，刮板輸送機運行效率直接影響井下生產[1-2]。刮板輸送機正常運行時依靠機頭驅動裝置提供動力，鏈輪往往承受較大作用力，在使用過程中容易磨損導致失效。刮板輸送機鏈輪失效的主要類型有壓潰、磨損以及斷裂等，壓潰主要是鏈輪受力過大或者人員操作不規范等導致，特別是新的鏈輪在較大載荷作用下表面容易出現較為明顯的塑性變形，長時間就會出現壓潰失效情況；磨損導致鏈輪厚度變薄、強度以及承載能力等變差；斷裂整體發生率較低，多集中發生在啟動初期，主要是啟動力過大或者載荷過大等導致[3-7]。降低鏈輪在使用過程中的磨損可提高設備使用壽命，提高刮板輸送機整體工作效率[8-9]。文中以山西某礦30905綜采工作面內布置的SGZ-1000/3×1000刮板輸送機為工程實例，采用數值模擬技術對驅動鏈輪受力進行分析，并針對性進行改進優化。

1 刮板輸送機鏈輪受力分析

1.1 嚙合過程分析

刮板輸送機運行期間，鏈輪運行工況復雜，鏈輪、圓鏈環間磨損較為明顯。為掌握鏈輪運行期間受力情況，需要對鏈輪嚙合過程進行分析。鏈輪嚙合過程中，齒輪圓弧半徑、鏈窩弧半徑以及齒根圓弧半徑等參數會使得嚙合齒窩形態變化，給鏈輪、圓鏈環嚙合效果帶來影響。當增加齒輪圓弧半徑時，鏈輪、圓鏈環交匯位置更為靠上，導致形成角度減少，使得鏈輪、圓鏈環間受力更為明顯；在保持齒根圓弧半徑不變而增大圓鏈環半徑時，則鏈輪、圓鏈環嚙合側面積增加，增大了壓潰事故風險。

鏈輪在正常運行時，鏈輪齒給圓鏈環施加一定的向前牽引力，從而使得刮板鏈往返移動；在鏈輪運行時首先在鏈窩側面與圓鏈環圓弧接觸之后全部咬合。

1.2 模擬模型構建

根據采面使用的SGZ-1000/3×1000實際條件，采用Workbench軟件構建鏈輪、圓鏈環嚙合模擬模型，并設定模擬參數，將模擬網格按0.01 mm均勻劃分。齒輪正常運轉時，將鏈輪、圓鏈環間摩擦系數設定為0.2，具體模型見圖1。在模型上施加的載荷依據現場實際情況確定，鏈輪上施加的拉應力F=7.3 kN、鏈輪轉動線速度為0.76 m/s、鏈輪轉動副載轉速64.3 r/min。整個模擬仿真時間控制在0.05 s，設置步長為6。

圖1 鏈輪、圓鏈環嚙合模擬模型

1.3 模擬結果分析

鏈輪、圓鏈環嚙合期間受力情況如圖2所示。從圖2模擬結果看出，鏈輪在正常運行時鏈窩側面、底面出現不同程度應力集中問題，其中最大應力達到712.5 MPa。為詳細掌握鏈輪運行時鏈窩側面、底面受力情況，對不同鏈輪旋轉角時的受力情況進行分析。將鏈輪鏈窩底面平行平面時角度設定為0°，并在后續模擬期間按照2°間隔記錄一次應力數據，從而得到鏈輪與圓鏈環正常接觸時的受力情況。鏈輪正常工作時鏈窩底面及側面受力監測結果如圖3所示。

圖2 鏈輪、圓鏈環嚙合期間受力情況(MPa)

圖3 鏈輪正常工作時鏈窩底面及側面受力監測結果

從圖3中看出，隨著鏈輪旋轉角增加，鏈輪鏈窩底面及側面受力呈增加趨勢，其中當鏈輪旋轉至40°時，鏈輪受力呈明顯增加趨勢；鏈輪旋轉至此位置時鏈輪齒與圓鏈環全部嚙合。在應力反復影響下，鏈輪材料容易出現磨損以及疲勞損傷，給鏈輪正常運行帶來一定影響。

2 鏈輪結構優化及分析

嚙合齒窩形態受齒輪圓弧半徑、鏈窩弧半徑以及齒根圓弧半徑等因素影響，為簡化分析難度，在鏈輪結構優化時控制單一變量不變，對鏈輪在不同角度下的受力情況進行仿真分析，并對鏈輪結構參數修改前后鏈輪受力情況進行分析，具體結果如圖4所示。

圖4 鏈輪結構參數修改前后鏈輪受力情況

通過圖4看出，鏈輪受力與齒根圓弧、鏈窩弧半徑等有密切關聯，而對齒根圓半徑變化不敏感。在后續的鏈輪優化過程中，應重點從齒根圓弧以及鏈窩弧半徑優化出發，提高鏈輪使用壽命并減少鏈輪使用過程中的磨損量。

鏈輪結構不同參數時齒輪受力模擬結果見表1。

表1 模擬分析結果

根據表1所示確定最佳優化參數，具體結構規格為：齒根圓半徑7 mm、鏈窩弧半徑24 mm、齒根圓弧半徑30 mm，按照上述優化參數對驅動鏈輪受力進行進行分析，具體結果如圖5所示。

從圖5看出，鏈輪在與圓鏈環嚙合過程中整體受力較為均衡，僅在鏈窩側部出現一定程度應力集中，應力峰值為616.7 MPa，最大應變量0.003 5 mm，應力峰值以及應變量等整體較小，較優化前明顯降低。表明，通過對鏈輪結構進行優化，可起到改善鏈輪受力并提高鏈輪整體使用壽命的目的。

圖5 鏈輪結構優化后示意

3 結 語

1) 在刮板輸送機驅動部鏈輪與圓鏈環嚙合期間，鏈窩側面與齒形圓接觸部分出現應力集中，最大應力值可達到712.5 MPa。

2) 模擬發現鏈輪旋轉40°，鏈輪受力呈明顯增加趨勢，并確定最大受力位置；鏈窩側面摩擦損失較為明顯。

3) 鏈輪應力受齒根圓弧、鏈窩弧半徑影響明顯，受齒根圓半徑變化影響不明顯。在后續優化過程中應注重點注重齒根圓弧以及鏈窩弧半徑參數，以便減少鏈輪局部受力強度并提高鏈輪整體使用壽命。