礦用刮板輸送機鏈輪優(yōu)化設(shè)計分析

（陽煤忻州通用機械有限責任公司，山西 忻州 034000）

我國當前使用的鏈輪使用壽命短、承載能力差，并且和其他的零部件設(shè)計水平也是不匹配，而這一問題也是嚴重的阻礙了刮板輸送機朝著遠距離以及大功率輸送方向發(fā)展的重要因素。積極的采用相關(guān)措施來進行優(yōu)化設(shè)計也是十分的有必要，以此來滿足日益重型化的刮板輸送機的發(fā)展需求。

1 合理的建立有限元模型

本文主要就是以某一型號的刮板輸送機作為研究的對象，建立相關(guān)的鏈輪模型，如下圖1。其鏈輪失效的部位主要就是在鏈窩，而其鏈齒根部破壞的情況比較少。為了有效的提升計算的效率，取模型中相鄰的兩個齒作為分析研究對象，建立如下圖2所示的有限元模型。為了準確的事假圓環(huán)鏈拉力載荷，具體可以將載荷均勻的加載下圖2的半環(huán)斷面上，其中的圓環(huán)鏈間、鏈輪以及圓環(huán)鏈之間添加一定的接觸約束，然后就是鏈齒底面上所有節(jié)點中的自由度全部固定。

圖1 鏈輪三維模型

圖2 鏈輪一鏈環(huán)有限元模型

2 基于極限載荷的刮板輸送機鏈輪優(yōu)化設(shè)計分析

2.1 優(yōu)化目標以及優(yōu)化的方法

優(yōu)化的目標就是：①應(yīng)變分布盡可能的均勻；②最大等效應(yīng)變最小；③大應(yīng)變區(qū)域落在鏈窩的中央?yún)^(qū)域[1]。而優(yōu)化的方法則是有著以下兩種，提取變形之后的鏈環(huán)外廓包絡(luò)面當作是鏈輪鏈窩曲面圓弧段的部分。提取變形之后的鏈環(huán)中心線，以其作為軌跡，以標準圓弧當成是截面，通過三維軟件來對生成的鏈輪鏈窩曲面圓弧段的部分進行掃略。

2.2 基于鏈環(huán)變形之后的包絡(luò)面鏈輪優(yōu)化設(shè)計分析

嚴格的按照以下幾個步驟提取鏈環(huán)變性之后的外廓包絡(luò)面：①提取鏈環(huán)變性之后的各個節(jié)點位移矢量；②將標準鏈環(huán)每一個節(jié)點按照位移矢量移動，得到變形之后的網(wǎng)格單元；③提取鏈環(huán)裸露單元外表面生成的曲面，這樣也就能夠得到鏈環(huán)變形之后的外表面。然后將其導(dǎo)出，在三維軟件中就能直接進行建模，最后得到優(yōu)化之后的鏈輪。相比較于優(yōu)化之前，刮板輸送機鏈輪的受力狀況有著極大的改善。

2.3 基于鏈環(huán)變形之后的中心線進行鏈輪優(yōu)化設(shè)計

與外包絡(luò)面的提取方法相似，不過鏈環(huán)中心線在提取的時候必須得保證在標準鏈環(huán)進行鏈環(huán)中心線網(wǎng)格劃分的時候應(yīng)該采用離散化網(wǎng)格單元的邊進行構(gòu)成，最后再提取這些變性之后的單元邊生成的曲線，這樣也就能夠得到鏈環(huán)變形之后的中心線。加載分析之后可以得出如下圖3所示的應(yīng)變分布中，從圖中我們可以清楚的了解到其最大的應(yīng)變未2.67×10-2，和優(yōu)化之前變化不大，不過卻極大的提升了應(yīng)力分布的均勻化程度。

2.4 兩種優(yōu)化結(jié)果對比分析

通過對比兩種優(yōu)化結(jié)果我們能夠看出，提取變形之后的鏈環(huán)外廓包絡(luò)面當做鏈輪鏈窩的曲面之后，其最大應(yīng)變的減小幅度比較大，并且最大應(yīng)變的區(qū)域也是更加的理想。所以在實際的應(yīng)用中利用鏈環(huán)外廓包絡(luò)面方法來進行刮板輸送機鏈輪的優(yōu)化。

3 優(yōu)化方法的循環(huán)性分析

3.1 基于平穩(wěn)載荷的輸送機鏈輪二次優(yōu)化

通過上文的分析我們能夠看到，以上兩種優(yōu)化的方法都能夠起到一定的作用，而這里主要討論的就是能否循環(huán)的利用提取鏈環(huán)包絡(luò)面來當成是鏈輪鏈窩曲面的方法進行鏈輪的優(yōu)化，這也就是說在提取了優(yōu)化之后的模型分析結(jié)果之后，再一次進行鏈輪鏈窩曲面的重構(gòu)，觀察鏈輪受力特性能不能再次有著提高。例如下圖4主要就是基于平穩(wěn)運行載荷的作用下進行輸送機鏈輪二次優(yōu)化之后的應(yīng)變分布的情況，從圖中我們能夠清楚的看出其最大應(yīng)變有著稍許變大，并且其最大的應(yīng)變區(qū)域比較接近立環(huán)開檔，同時應(yīng)變的均勻程度也比不上第一次的優(yōu)化結(jié)果。

圖3 基于鏈環(huán)中心線優(yōu)化后的鏈輪應(yīng)變分布

圖4 基于平穩(wěn)載荷的輸送機鏈輪二次優(yōu)化后的應(yīng)變分布

3.2 基于平穩(wěn)載荷鏈輪二次優(yōu)化的結(jié)果分析

結(jié)合上文內(nèi)容我們能夠清楚的知道，第二次使用提取鏈環(huán)包絡(luò)面當做鏈輪鏈窩曲面這一方法記性鏈輪的優(yōu)化之后，刮板輸送機鏈輪的力學(xué)特性沒能得到進一步的優(yōu)化，并且其效果也沒有呈現(xiàn)出遞增性，下以對其原因進行了相關(guān)分析探討。從下圖5我們能夠看出，標準的圓環(huán)鏈和鏈輪在空載的條件背景下處于理想面的接觸狀態(tài)。而在加載之后因為圓環(huán)變形，圓環(huán)鏈和鏈輪在立環(huán)開檔的位置處以較小的區(qū)域接觸，這個時候的鏈輪接觸應(yīng)變最大。

圖5 鏈輪優(yōu)化過程示意圖

4 結(jié)語

綜上所述，本文主要就是通過有限元分析軟件進行了鏈輪和圓環(huán)鏈的靜力學(xué)接觸分析，然后在這個基礎(chǔ)之上進行鏈輪的優(yōu)化設(shè)計。相關(guān)部門應(yīng)該利用提取鏈環(huán)外廓包絡(luò)面當做是鏈輪鏈窩曲面圓弧段部分的優(yōu)化方法。所述的優(yōu)化方法的最終結(jié)果和使用工況息息相關(guān)，優(yōu)化前應(yīng)變以及載荷越大，那鏈輪優(yōu)化之后的受力特性的改良就會越發(fā)的明顯。而循環(huán)使用所述的優(yōu)化方法進行鏈輪的優(yōu)化，其效果沒有呈現(xiàn)出遞增性，也就是說提取優(yōu)化之后的模型分析結(jié)果，再次進行鏈輪鏈窩的重構(gòu)，其力學(xué)特性不再有著明顯的改善。