SGZ630/220刮板輸送機關鍵部件結構的優化設計研究

李 偉

（山西煤炭運銷集團小窯頭煤業有限公司， 山西 大同 037000）

1 SGZ630/220刮板輸送機概述

SGZ630/220型刮板輸送機是一種回轉式撓性牽引機構的連續性輸送機械設備，常常被應用于采煤作業中。其工作時，由鏈條實現牽引，主要物料承載部位為中部槽。刮板輸送機的工作原理為將需要被運輸的物料，如煤礦，放置于槽體中，鏈條帶動刮板運動，當機頭電機啟動時，即可帶動機頭鏈輪轉動，從而驅動刮板，最終實現中部槽中物料的輸送[1-2]。

通常刮板輸送機均可分為四大部分，包括機頭部分、機身部分、機尾部分以及相關的輔助設備。機頭主要包括電機、液力耦合器、溜槽、轉軸等部件，主要實現對鏈條的驅動與控制[3]。機身部分主要是輸送機的主體結構，中部槽和刮板主要執行運輸、傳導任務。機尾部分主要包括尾架、機尾軸、緊鏈裝置、導鏈輪或機尾滾筒。其中導鏈輪的主要作用是改變刮板鏈方向。

2 分析模型的建立

首先建立SGZ630/220型刮板式輸送機的三維模型，利用其工程結構圖，基于Solid Works建立中部槽結構三維模型，為了有限元計算的方便，在此簡化模型中一些不影響應力分析的細小特征，如孔、凹槽等。將建立好的三維模型，通過通用文件格式導入ANSYS Workbench，現就模型的有限元處理做簡要說明。

2.1 模型材料設置

刮板輸送機結構主要由6BM材料組成，根據模型的實際結構，對模型各部分材料進行設定，在該模型的靜態分析中不考慮幾何、材料的非線性問題。已知，6BM材料的彈性模量E=2.21×105MPa，密度ρ=7 910 kg/m3，泊松比 μ=0.3，屈服強度為 738 MPa[4]。

2.2 網格劃分

對導入模型設置好參數后，對其進行網格劃分，由于中部槽結構規整，為了確保后續的計算精確性，可以采用掃略網格劃法，設置Solid45單元類型，采用六面體實體單元通過軟件計算劃分得到191 375個節點，95 827個單元。

2.3 載荷與邊界條件的設置

為了探究刮板輸送機中部槽的結構性能，根據輸送機的典型作業工況來分析，確定了直行工況、拉架工況，對兩種典型的刮板輸送機工作受力情況來分析，同時建立相對應的有限元分析模型[5]。對兩種工況包括直行工況、拉架工況進行說明：直行是指采煤機沿刮板機上直線運動；拉架工況是推溜結束后，液壓支架向煤層一側移動。

為了便于對兩種工況下載荷與約束實際作用位置做出說明，現將中部槽分為5節，如圖1所示。采煤機直行割煤時，從右到左數的第1節中部槽凹端與第5節中部槽凸端設置為固定約束，其余端在凹凸連接位置設置為無摩擦接觸。拉架工況：兩側中部槽設置為固定約束，與此同時在拉架中部槽拉移耳處作用拉架力，中部槽凹凸連接位置設置無摩擦接觸。

圖1 5節中部槽實體模型

根據刮板輸送機中部槽與采煤機相關技術參數和幾何尺寸，對各個工況狀態進行分析，可以確定每個工況下對中部槽載荷的施加情況，由于篇幅所限，在此不再對計算過程進行一一展示。如表1所示為中部槽所受載荷大小。中部槽受力情況：F1為前滑靴所受載荷；F2為后滑靴所受載荷；F3為前導向槽所受支持力；F4為后導向槽所受支持力；F5為后導向滑靴的導向力[6]。

表1 兩種工況下中部槽載荷 kN

3 應力分析結果

根據所列兩種典型工況載荷與邊界的設置，計算分析得到兩種工況應力分布情況，確定中部槽結構的薄弱環節，并依據實際在使用刮板輸送機過程中出現的情況進行優化，重新設計，提高設備的可靠性。

通過計算，在直行割煤工況下中部槽應力分布如圖2所示，其中最大應力位于中部槽鏟板槽幫的凸端，此時最大應力值為471.5 MPa，該工況狀態下應力值分布均比較小，小于材料的屈服極限，因此可以認為直行工況對中部槽的破壞比較小。

圖2 直行工況中部槽應力分布情況

如圖3所示，為中部槽在拉架工況下應力分布情況，最大應力值為472 MPa，小于材料的屈服應力，最大應力值位于鏟板槽幫的凸端。此時中部槽、銷軌、軌座的應力值均小于材料屈服極限，但應注意應力較大的區域在刮板輸送機實際使用情況中，在軌座與銷軌連接處產生了微裂紋。

4 中部槽結構優化設計分析

中部槽作為刮板輸送及重要的承載部件，在使用過程中也出現不同的故障，根據既往使用情況常出現疲勞裂紋的萌生、關鍵零部件在沖擊載荷下折斷等現象，為了提高刮板輸送機使用壽命與可靠性，對中部槽結構模型進行針對性優化改進。

根據實際使用的情況和兩種工況下應力分析的結果，對槽幫啞鈴窩處結構的加強，如圖4所示為槽幫啞鈴窩結構優化前后的對比示意圖。同時對中部槽內部焊縫較為集中的區域進行重新設計。

圖3 拉架工況應力分布情況

建立優化后中部槽三維模型，依據直行工況下邊界條件與載荷工況對優化后中部槽模型進行強度分析，如圖5所示，此時最大應力值為347 MPa，應力分布情況與優化前相似，但總體上與優化前相比減小104.5 MPa，減小23.1%。計算結果表明，優化對于結構的整體應力分布、結構強度均有明顯改善，提高了中部槽結構的可靠性。

圖4 槽幫結構優化前后對比

圖5 優化后中部槽直行工況應力

5 結論

1）建立SGZ630/220型刮板式輸送中部槽三維模型，根據受力分析確定其實際生產作業中兩種典型工況，并基于ANSYS Workbench對中部槽在兩種工況下強度進行分析。獲得中部槽在典型工況下的薄弱區域，結合輸送機實際使用情況進行結構優化設計。

2）對槽幫啞鈴窩處結構的加強，同時對中部槽內部焊縫較為集中的區域進行重新設計，在直行工況下計算中部槽最大應力值347 MPa，同比減小23.1%。優化后結構對于中部槽的整體應力分布、結構強度均有明顯改善，提高了中部槽結構的可靠性，對實際使用與后續中部槽結構設計的改進具有重要的借鑒意義。