大節距鏈輪的優化設計

孫繼峰

（河北天擇重型機械有限公司，河北邯鄲 056200）

1 立項背景

立井斗式連續提升系統是采用專門設計的大節距特型圓環鏈和專用可旋轉料斗作為散裝物料提升的一種新型礦井提升形式，由電機帶動驅動軸上的大節距鏈輪拖動圓環鏈，提升固定在圓環鏈上的料斗，來實現提升功能。

大節距鏈輪是立井斗式連續提升系統的重要零部件。在立井斗式連續提升系統的原設計中，大節距鏈輪為一個整體，這種結構的鏈輪在運轉過程中如果鏈齒產生磨損、影響運轉，則必須更換整個鏈輪。鏈輪的原使用壽命一般為一年，更換鏈輪時需要將鏈條脫離鏈輪，然后將整個鏈輪組件（鏈輪、軸、軸承座部件）拆下，返回制造廠維修。維修一個鏈輪部件，提升機一般至少要停運3 d，給提升機使用單位造成上百萬的損失。同時，大節距鏈條使用6 個月，鏈環圓弧處就局部磨損成2 個坑，必須更換新鏈條。大節距鏈輪不易于維護，使用周期短、維護成本高，成為提升機設計中的一個重大不足。

為了解決現有技術的不足和便于維護，將大節距鏈輪結構進行了優化設計。

2 大節距鏈輪的優化設計

2.1 分體結構大節距鏈輪設計

將整體鏈輪改為由鏈齒與輪轂組合而成的分體結構，即將鏈齒嵌入到輪轂、輪轂和鏈齒為組合形式（圖1）。在輪轂上銑出10 個槽，每個槽底再銑1 個凹槽，凹槽底部鉆攻2 個螺紋孔。10 個鏈齒其外形尺寸與輪轂上的槽相配，鏈齒底部銑出1 個凸臺，其尺寸與輪轂槽底部的凹槽相配，每個鏈齒上鉆2 個沉孔。鏈齒下部鑲在輪轂槽里，靠輪轂槽左右兩側面定位，以傳遞周向力；鏈齒上的凸臺鑲在輪轂底部凹槽里，靠凹槽前后兩側面定位，以傳遞軸向力，用2 條內六角螺釘把鏈齒和輪轂聯結固定，使鏈齒與輪轂成為一個整體。大節距鏈輪分體結構采取十字定位方式，既保障了單個鏈齒安裝后齒形幾何位置精度，又可以保障同一輪轂上所有鏈齒的一致性。

分體結構的大節距鏈輪加工時，輪轂單件加工成活；鏈齒除鏈齒齒頂部位與輪轂整體加工外，其余均分體加工。既保障了單個鏈齒外形的尺寸精度，又可以保障鏈齒與輪轂的位置精度，使分體結構鏈輪的加工質量與整體結構鏈輪相同。

改為由輪轂與鏈齒組合式的分體結構后，當鏈輪在運轉過程中，鏈齒因磨損損壞時，不用停產就可以快速更換個別鏈齒。這樣既不需要更換整個鏈輪，也不需要拆掉鏈條，利用鏈條與鏈輪非嚙合空間就可以操作，利用檢修時間即可完成，大大降低了維修費用。

2.2 大節距鏈輪外形尺寸的優化設計

2.2.1 大節距鏈輪的初始尺寸設計

設計條件：圓環鏈公稱直徑d=26 mm，圓環鏈公稱節距p=185 mm，圓環鏈最大外寬b=91 mm，鏈輪齒數N=10 個。

根據MT 231—1991《礦用刮板輸送機驅動鏈輪》中鏈輪形式和尺寸，計算出鏈輪各部位的尺寸（表1）。

圖1 鏈輪結構

表1 鏈輪各部位的尺寸 mm

按此尺寸設計出的大節距鏈輪，在使用過程中鏈齒齒窩、鏈條圓弧處局部磨損嚴重；且運轉過程中出現無規律的間歇跳鏈。

2.2.2 大節距鏈輪結構尺寸的優化設計

多次到現場觀察立井斗式連續提升系統，并對運行過程中的各種情況做了記錄，包括：空載啟動時，主驅動鏈輪的嚙合狀況、導向鏈輪的嚙合情況；啟動運行后，主驅動鏈輪的嚙合狀況、導向鏈輪的嚙合情況；滿載時，主驅動鏈輪的嚙合狀況、導向鏈輪的嚙合情況。通過多次觀察，發現跳鏈主要出現在滿載時的導向鏈輪。進一步觀察跳鏈時鏈條與鏈齒的嚙合狀況，發現鏈環與鏈齒嚙合時間隙太大，是出現跳鏈的主要原因。觀察鏈條的磨損面，發現鏈齒與鏈環嚙合面小是鏈環局部磨損的主要原因。

結合以上實踐經驗，翻閱了初始大節距鏈輪設計時各部尺寸的計算過程。通過對大節距鏈輪各個尺寸進行分析研究發現，鏈環與鏈齒嚙合間隙太大，與鏈齒設計中的鏈窩長度有關；鏈齒與鏈環嚙合面小與短齒厚度有關。

（1）減小鏈窩長度。根據MT 231—1991 標準，分別計算d=26 mm 的大節距鏈環與標準鏈環的L 值、鏈環與鏈窩間隙。

a.按大節距鏈環p=185 mm、d=26 mm 計算，鏈窩長度L=1.075p+2d=1.075×185+2×26=250.875 mm，連環長度：185+2×26=237 mm，鏈環與鏈窩非嚙合面間隙為250.87-237=13.87 mm。

b.按標準礦用圓環鏈p=92 mm、d=26 mm 計算，鏈窩長度L=1.075p+2d=1.075×92+2×26=150.9 mm，連環長度92+2×26=144 mm，鏈環與鏈窩非嚙合面間隙為150.9-144=6.9 mm。

通過兩組數據對比，大節距圓環鏈比標準圓環鏈鏈輪間隙大了一倍，于是認為對于大節距圓環鏈MT 231—1991 標準不完全適用。結合實踐情況，為了確保鏈環與鏈窩非嚙合面之間的間隙，需要將鏈窩長度減小。同時，考慮到大節距鏈條與鏈齒嚙合的不同，將嚙合間隙在原理論計算的基礎上減小了約5 mm，即鏈窩長度設計為246 mm。

（2）加大短齒厚度。根據初設大節距鏈輪的計算數據，在電腦上繪制了大節距鏈條與鏈齒的嚙合平面圖（圖2）。發現“鏈窩圓弧”與“大節距圓環鏈圓弧”長度差12.2 mm，與在現場觀察的鏈窩與鏈環嚙合情況基本一致。鏈窩與鏈條嚙合面小從理論上得到了驗證。查閱MT 231—1991 標準，發現標準中“短齒厚度W”標注著“尺寸僅做參考”，即W 是可以根據情況改變的。

圖2 鏈條與鏈齒嚙合

圖2 鏈條與鏈齒嚙合圖初設大節距鏈輪時，W 取171.16，其是根據公式計算出的理論值。結合現場觀察到的實際使用情況，決定將鏈窩單邊加長5 mm，即短齒厚度W 加大10 mm，W取181 mm。考慮到L 減小了約5 mm，相當于鏈窩將鏈環向后平移了2.5 mm，應該將W 再加大5 mm，取186 mm。

W 加大后，鏈環在鏈窩中嚙合面、非嚙合面與鏈窩平面的接觸長度都得到了加長，鏈齒的受力面積加大，鏈齒與鏈環局部受力減小，解決了鏈齒局部磨損嚴重問題。

經過改變大節距鏈輪的W、L 值，鏈環與鏈齒配合面得到了加大。鏈條圓弧處局部磨損、跳鏈情況均得到了改善。

3 使用效果

將大節距鏈輪整體結構改為由輪轂與鏈齒組合而成的分體結構后，鏈輪維護簡單易行，更換鏈齒不用停產即可完成；鏈窩長度L 減小為246 mm、短齒厚度W 加大為186 mm，使鏈齒與鏈環的嚙合面加大，一套鏈齒可使用一年半，使用壽命延長了6 個月；同時，鏈條局部磨損也得到了改善，鏈條使用壽命達到了9 個月，比優化前延長了3 個月，大大降低了維護成本。

總之，優化設計的大節距連續提升機鏈輪，其結構簡單、定位精確、更換鏈齒方便，提高了提升系統的運行平穩性。鏈輪具備了使用壽命長、易維護、維護成本低的特點，克服了原有技術不足，為設計其他大節距鏈輪積累了實踐經驗。