基于ANSYS的礦用刮板輸送機鏈輪與鏈環嚙合特性分析

楊志懷

（山西省壽陽縣解愁鄉榮家溝麥捷煤業有限公司，山西 壽陽 045400）

0 引 言

隨著國家的快速發展，能源消耗的逐年增加，目前已加大了對煤礦的開采力度。刮板輸送機作為煤礦開采中的重要設備，保證其具有高效率、高可靠性、高穩定性等，已成為提高煤礦開采效率和井下作業安全的重點內容。鏈輪和鏈條作為刮板輸送機中的重要部件，由于井下環境的惡劣性，加上部件之間的維護保養不當，導致該些部件工作過程中經常出現各類故障問題，嚴重影響著刮板輸送機的工作效率。降低鏈輪與鏈條的故障率，提高其結構性能，已成為當下急需解決的問題。因此，結合工程實際，通過對鏈輪與鏈條主要故障現象進行分析，采用SOLIDWORKS和ANSYS軟件，建立鏈輪與鏈條的仿真模型，開展了兩部件之間的嚙合特性分析，找到了兩部件嚙合過程中的薄弱位置，掌握了兩部件運行過程中嚙合規律，由此，提出降低兩部件嚙合故障的主要措施。該研究對降低兩部件的故障概率和提高刮板輸送機的工作效率具有重要意義，可為煤礦企業及現場操作人員提供參考。

1 鏈傳動系統主要故障分析

1.1 鏈輪故障分析

鏈輪作為刮板輸送機中的重要部件，其運動過程中，由于刮板輸送機經常處于超長時間作業，加上受載的不均勻和井下煤灰掉入鏈輪嚙合處，導致其結構頻頻發生各類故障事故。通過對某煤礦中單臺鏈輪的故障數進行初步統計，鏈輪的故障主要表現為鏈輪與鏈條嚙合接觸潤滑不良，軸承因受載過大且潤滑不良而出現轉動異常故障、浮動密封圈長時間運行而出現失效故障、鏈輪齒套連接螺栓因受載過大而出現疲勞斷裂等類型，其對應的故障概率如圖1所示。鏈輪故障的發生，將直接導致鏈輪發生磨損嚴重、斷裂的風險，最終導致刮板輸送機無法正常運轉，若更好不及時，將可能導致安全事故的發生。因此，需采用有效措施來降低鏈輪故障的發生。

圖1 鏈輪故障類型比例分布圖

1.2 鏈條故障模式分析

鏈條作為刮板輸送機中與鏈輪同等重要的部件，其運動過程主要與鏈輪進行嚙合接觸，主要表現為卡鏈、斷裂等類型，鏈條斷裂故障實物圖如圖2所示，其發生的故障類型及頻率也相對較高。分析其故障發生原因主要包括：①鏈條作業過程中，井中的煤灰或煤石會不適的掉入到鏈條與鏈輪接觸位置，導致鏈條發生較大的磨損甚至斷裂現象；②鏈條在生產過程中，由于加工工藝或材料的控制不當，導致鏈條的結構強度和剛度無法滿足井下特殊的工作環境，最終在超負荷、超長時間等惡劣環境下，發生了結構變形或斷裂的故障；③由于刮板輸送機經常處于不同大小載荷交替變化、受力過大等情況，導致鏈條的受力不均勻而出現了疲勞破壞現象；④鏈條與鏈輪的長時間接觸摩擦，導致其表面出現了嚴重的磨損現象，當達到其疲勞極限時，發生了結構斷裂故障；⑤其他部件的故障失效，也會間接影響著鏈條的使用性能。因此，需采用有效措施來降低鏈條故障的發生。

圖2 鏈條結構斷裂圖

2 鏈輪與鏈環嚙合模型建立

2.1 三維模型建立

根據前文對鏈輪與鏈條故障的初步分析，有效掌握兩部件嚙合接觸階段的結構特性，對提高刮板輸送機的整機性能至關重要。因此，結合鏈輪與鏈條的結構尺寸，采用SOLIDWORKS軟件，建立了鏈輪與鏈條接觸的三維模型；同時，由于鏈輪主要通過中部的鏈窩結構，對鏈條進行轉動驅動，因此，在建模中，對鏈輪鏈窩中的過渡圓弧及倒角、鏈條上的焊縫結構等特征進行了結構損壞簡化，以此提高模型的分析精度和速度，從而，建立了鏈輪與鏈條的三維模型，如圖3所示。

圖3 鏈輪與鏈條的三維模型

2.2 仿真模型建立

結合工程實際經驗，鏈輪與鏈條屬于主要受力部件，其材料一般需具有較強的結構強度。因此，在ANSYS軟件，選用了40Cr材料作為鏈輪與鏈條的結構材料，其材料的主要性能參數如表1所示。同時，考慮到計模型的計算時間和分析精度問題，對鏈輪和鏈條進行了不同類型的網格劃分，其中，鏈條采用四面體網格類型，網格大小設置為12mm，而鏈條則采用六面體網格類型，網格大小設置為10mm，兩部件的網格劃分圖如圖4所示。另外，考慮到鏈輪與鏈條接觸之間可能發生彈性變形，因此，將兩部件之間進行了面面接觸，并對鏈條中心軸孔處進行了旋轉約束，同時施加旋轉力矩，建立了鏈輪與鏈條的嚙合仿真模型。

表1 40Cr材料主要性能參數

圖4 鏈輪與鏈條網格劃分圖

3 部件嚙合特性分析

結合前文建立的仿真模型，得到了鏈輪與鏈條的嚙合應力變化圖，如圖5所示。由圖可知，兩部件上均出現應力應力分布不均勻現象，其中，整個鏈條上的中部鏈條及水平鏈條上，應力分布相對較高，而鏈輪的鏈齒及鏈窩處出現了較大的應力集中，但相對更小，另外，鏈輪的齒根部位也出現了一定的應力集中現象。分析其原因為：由于鏈輪與鏈條之間的接觸作用，導致該些部位的受力相對較高，且鏈條受力后，會對鏈條上鏈齒進行兩邊擠壓，最終導致了兩部件出現了較大的應力。若出現較大外界作用力、超長時間運行、潤滑不及時等現象，極可能導致該些部位發生結構變形斷裂故障，嚴重影響刮板輸送機的工作效率。

圖5 鏈輪與鏈條嚙合應力變化圖

4 降低鏈輪與鏈條嚙合故障的主要措施

結合前文的故障分析及仿真分析結構，找到了鏈輪與鏈條兩部件主要故障類型及嚙合特性原理，因此，提出了一些降低鏈輪與鏈條嚙合故障的主要措施，具體如下：

1）在部件設計生產過程中，在滿足一定剛度要求條件下，采用更高結構強度的材料作為鏈輪和鏈條的結構材料，同時，對增加部件上應力集中處的過渡圓弧半徑，適當增加材料的的厚度，并對材料進行調質或淬火處理，以此來提高部件的結構性能；

2）當鏈輪與鏈條瞬間啟動或出現卡鏈時，會產生更高的作用力，此過程更容易導致兩部件發生故障失效現象；針對此問題，可通過降低啟動瞬間的驅動力輸出，并對部件進行定期檢查，保證其不發生卡鏈現象，以此來提高部件的可靠性；

3）增加鏈輪上鏈窩的寬度、減小鏈齒豎直傾斜度，當鏈條受到較大作用力時，可更好的將作用力分布在鏈齒和鏈輪根部圓盤上，大大降低了鏈輪鏈齒及齒根部位的應力集中現象；

4）當鏈輪與鏈條之間發生嚴重磨損時，應及時檢查兩部件的磨損情況，當發生有嚴重磨損或結構斷裂故障時，應及時對部件進行更換處理；

5）加強對鏈輪與鏈條之間的嚙合處進行雜物清理及潤滑性能檢查，當發現有較多煤石、潤滑油較少時，應采用煤石清理及添加潤滑油等措施，以此來減小兩部件之間因摩擦過大而出現的磨損嚴重故障現象。

5 結 論

降低鏈輪與鏈條的故障率，已成為當下煤礦企業重點關注問題。因此，結合工程實際，分析了刮板輸送機中鏈輪與鏈條運行過程中出現的主要故障現象，以此為基礎，采用SOLIDWORKS和ANSYS軟件，通過建立鏈輪與鏈條的仿真模型，開展了兩部件之間的嚙合特性分析，結果表明：鏈輪的鏈窩、鏈齒、齒根和嚙合處的鏈條等部位均出現了較大應力集中，結構相對薄弱，在使用中極可能率先出現結果變形、斷裂等故障現象，由此，提出降低兩部件嚙合故障的主要措施，此措施可為煤礦企業及現場操作人員提供重要的參考。通過該研究，掌握刮板輸送機鏈輪與鏈條的嚙合規律，對降低兩部件的故障概率和提高刮板輸送機的工作效率具有重要的現實意義。