刮板輸送機中驅(qū)動鏈輪的動力學(xué)結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

郭 樑

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四老溝礦，山西 大同 037028）

引言

隨著煤炭綜采技術(shù)的發(fā)展使用，刮板輸送機作為工作面的輸送設(shè)備，其安全可靠性對煤礦生產(chǎn)具有重要的影響。隨著綜采技術(shù)的發(fā)展，刮板輸送機在智能化、重型化方向上具有較高的要求，驅(qū)動鏈輪作為刮板輸送機主要的傳動零件，對刮板輸送機的運行起到驅(qū)動作用，承受較大的載荷作用[1]，其性能對刮板輸送機的使用具有決定性的影響。針對刮板輸送機的驅(qū)動鏈輪的結(jié)構(gòu)，采用動力學(xué)仿真分析的形式對其力學(xué)特征進(jìn)行分析[2]，從而優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，提高驅(qū)動鏈輪的使用性能，保證刮板輸送機的穩(wěn)定運行。

1 驅(qū)動鏈輪分析模型的建立

驅(qū)動鏈輪是刮板輸送機進(jìn)行運動主要的傳動部件，在井下復(fù)雜的環(huán)境中，驅(qū)動鏈輪的工況惡劣，在傳動過程中受到的載荷復(fù)雜多變，容易造成驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈之間的磨損，不利于刮板輸送機的可靠使用[3]。針對驅(qū)動鏈輪進(jìn)行動力學(xué)分析，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench 搭建驅(qū)動鏈輪的仿真分析模型[4]。以某型號的刮板輸送機為研究對象，其驅(qū)動鏈輪的主要參數(shù)為齒數(shù)為7，外徑為253 mm，節(jié)圓直徑為225 mm，齒根圓弧半徑7 mm，齒形弧半徑29 mm，鏈窩弧半徑為25 mm，鏈窩長度為82 mm，構(gòu)建驅(qū)動鏈輪的三維模型。

采用瞬態(tài)動力學(xué)對驅(qū)動鏈輪承載進(jìn)行分析，瞬態(tài)動力學(xué)可對驅(qū)動鏈輪任意隨時間變化的載荷進(jìn)行分析，在驅(qū)動鏈輪運動過程中[5]，慣性力及阻尼作用對其承載作用的影響較小，因此可用靜力學(xué)分析的方式代替瞬態(tài)動力學(xué)分析，從而減少仿真分析所需的時間，提高計算效率。

對驅(qū)動鏈輪的模型進(jìn)行圓環(huán)鏈的裝配，并進(jìn)行干涉檢查，并導(dǎo)入到ANSYS 中，得到驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈的模型。對模型的材質(zhì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，圓環(huán)鏈常用的材質(zhì)為23MnCrNiMo，其彈性模型為210 GPa，泊松比為0.25，驅(qū)動鏈輪的常用材質(zhì)為30GrMnTi，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，兩種材料均具有良好的力學(xué)性能[6]，具有良好的耐磨性能。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，由于驅(qū)動鏈輪的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，采用自由網(wǎng)格的形式進(jìn)行劃分，對鏈窩、齒根及圓環(huán)鏈等接觸部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理[7]，得到鏈輪與圓環(huán)鏈的網(wǎng)格劃分模型如圖1 所示。

圖1 驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈的網(wǎng)格模型

對模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，驅(qū)動鏈輪前端的平環(huán)與鏈輪鏈窩之間設(shè)定為bonded 接觸，鏈窩與圓環(huán)鏈及圓環(huán)鏈的平環(huán)與立環(huán)之間設(shè)定為摩擦接觸[8]，設(shè)定靜摩擦系數(shù)為0.3，動摩擦系數(shù)為0.2。設(shè)定鏈條的拉力載荷為7.3 kN，鏈輪軸的軸孔與鍵槽受到固定約束作用，得到驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈的加載模型如圖2 所示，對其應(yīng)力進(jìn)行計算分析。

圖2 鏈輪與圓環(huán)鏈加載模型

2 驅(qū)動鏈輪的動力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 驅(qū)動鏈輪仿真分析結(jié)果

對鏈輪與圓環(huán)鏈的加載模型進(jìn)行計算，對其應(yīng)力變化進(jìn)行提取，得到如圖3 所示的應(yīng)力分布結(jié)果。從圖3 中可以看出，驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈整體受到的應(yīng)力較低，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鏈窩側(cè)面的齒根位置處，最大應(yīng)力值為270.95 MPa。由于鏈窩側(cè)面的齒根位置在旋轉(zhuǎn)過程中，不斷與鏈條進(jìn)行接觸，受到循環(huán)應(yīng)力的作用[9]，鏈窩側(cè)面的輪齒在嚙合過程中容易產(chǎn)生摩擦磨損，影響驅(qū)動鏈輪使用的壽命及可靠性，不利于刮板輸送機的穩(wěn)定運行。

圖3 驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈應(yīng)力分布

2.2 驅(qū)動鏈輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

依據(jù)對驅(qū)動鏈輪動力學(xué)分析的結(jié)果，應(yīng)力的最大位置在鏈窩的側(cè)面，承受的載荷應(yīng)力作用較大，當(dāng)圓環(huán)鏈嚙合到鏈窩后，運動過程中受到的沖擊作用造成鏈輪或者圓環(huán)鏈的不平穩(wěn)會加劇齒根與圓環(huán)鏈的摩擦，齒根處受到的磨損加劇[10]。在驅(qū)動鏈輪受到的應(yīng)力作用的影響因素中，齒根的圓弧半徑、齒形圓弧半徑及鏈窩圓弧半徑是主要的影響參數(shù)，以齒根圓弧半徑的影響作用最大，針對齒根圓弧半徑、齒形圓弧半徑及鏈窩圓弧半徑進(jìn)行鏈輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理。

在三個影響參數(shù)中，鏈窩的齒形圓弧半徑應(yīng)與圓環(huán)鏈最大外寬的一半保持一致，從而保持嚙合過程中的一致性。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，齒形圓弧半徑等于圓環(huán)鏈最大外寬的一半，此時圓環(huán)鏈?zhǔn)艿嚼o作用后，兩端的圓會向橢圓形變化[11]，增加承載時側(cè)面所能承受的應(yīng)力載荷。依據(jù)所使用的圓環(huán)鏈，設(shè)定鏈窩齒形圓弧半徑為30 mm，相對原有齒形弧半徑29 mm 增加了3.4%。

齒根圓弧半徑對鏈輪工作時所受的應(yīng)力的影響作用最大，齒根處所受到的應(yīng)力隨著齒根圓弧半徑的增加先減小后增加，在現(xiàn)有齒根圓弧半徑7 mm 的基礎(chǔ)上對圓弧半徑優(yōu)化為6.5 mm，齒根圓弧半徑減小7%。鏈窩圓弧半徑的大小對驅(qū)動鏈輪所受的應(yīng)力影響呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢[12]，在現(xiàn)有鏈窩圓弧半徑25 mm 的基礎(chǔ)上對鏈窩圓弧半徑減小為24 mm，鏈窩圓弧半徑減小4%。依據(jù)優(yōu)化后的尺寸，對驅(qū)動鏈輪的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)行分析，得到優(yōu)化后的鏈輪應(yīng)力分布如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化后驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈應(yīng)力分布

從圖4 中可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后驅(qū)動鏈輪的最大應(yīng)力值為192.89 MPa，相對原有鏈輪結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值減小28%，優(yōu)化后應(yīng)力減小的效果顯著。刮板輸送機在井下的工作環(huán)境惡劣，設(shè)備的維修更換較為困難，對驅(qū)動鏈輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可減小驅(qū)動鏈輪所受到的應(yīng)力，減小所受到的磨損，提高刮板輸送機的穩(wěn)定性。在刮板輸送機使用的過程中，對于驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈之間的摩擦可以在表面包裹金屬涂層，從而有利于零件間的磨合，達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

3 結(jié)語

刮板輸送機是煤礦綜采設(shè)備中重要的輸送設(shè)備，驅(qū)動鏈輪作為主要的傳動部件，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對于煤礦的穩(wěn)定開采具有重要的作用。采用瞬態(tài)動力學(xué)仿真的形式對驅(qū)動鏈輪的承載進(jìn)行分析，不考慮慣性力及阻尼作用的影響，用靜力學(xué)分析的方式模擬瞬態(tài)動力學(xué)分析。結(jié)果表明，驅(qū)動鏈窩側(cè)面齒根位置承受應(yīng)力較大，旋轉(zhuǎn)過程中受到循環(huán)應(yīng)力的作用，容易產(chǎn)生摩擦磨損，影響驅(qū)動鏈輪的使用。針對驅(qū)動鏈輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，齒形弧半徑增加3.4%，齒根圓弧半徑減小7%，鏈窩圓弧半徑減小4%，對優(yōu)化后的鏈輪進(jìn)行仿真分析，所受到的最大應(yīng)力減小28%，可有效改善驅(qū)動鏈輪的應(yīng)力狀態(tài)，提高其穩(wěn)定性及使用壽命。在刮板輸送機的使用過程中，還可在驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈之間包裹金屬涂層，從而有利于驅(qū)動鏈輪的磨合，提高穩(wěn)定性，保證煤礦的有效輸送開采。