刮板連續運輸車中關鍵結構的靜力學分析

張林生，羅銀貴，王洪祥

（1.鄭州清源智能裝備科技有限公司，鄭州450001；2.哈爾濱工業大學 機電工程學院，哈爾濱150001）

0 引 言

煤礦資源在我國的能源消費結構中起到舉足輕重的作用，刮板運輸作為煤礦開采綜合工作面最主要的運輸方式，在煤礦生產與建設中具有重要的作用[1]。現階段我國先后設計和制造出一些新型的重型刮板輸送機，在運距、運量和總裝機功率等方面已經同國外相近，但在設備性能、使用壽命和環境適應性等方面仍存在著較大差距[2]。刮板鏈作為重要的受力運動部件，因為設計制造、使用維護及工作面特殊工作條件等方面的影響，刮板鏈時常發生跳鏈、斷鏈現象，嚴重地影響了正常生產，所以對這些零件材料的強度、韌性、耐磨性和抗腐蝕性都提出了很高的要求。刮板鏈一般采用的是圓環鏈，通過鋸齒接鏈環連接組成完整的牽引鏈，在工作過程中刮板連續運輸車運輸距離較長，圓環鏈在拉力作用下容易發生變形，導致整條牽引鏈長度發生變化，為防止跳鏈現象的發生，圓環鏈重載部分的總伸長量應小于一個鏈節。牽引鏈中的接鏈環也是整個刮板鏈的薄弱環節，易發生斷鏈現象。另外，溜槽架為左右兩部分，通過回轉銷軸連接在一起，在溜槽架上安裝彈簧板構成刮板轉向機構，轉向機構將相鄰兩車連接在一起，工作時溜槽架受車體拉力、煤炭與溜槽摩擦力和煤炭重力的共同作用，極易損壞。因此，本文利用SolidWorks軟件對圓環鏈、接鏈環和溜槽架進行靜力學分析，校核刮板連續運輸車中這些關鍵結構能否滿足強度和剛度要求[3-4]。

1 圓環鏈的靜力學分析

所用圓環鏈尺寸規格為30×108，內寬為34 mm，外寬為94 mm，外長為168 mm，材料為高強度合金鋼，其屈服強度、彈性模量和泊松比分別為620.422 MPa、210 GPa和0.28。首先利用SolidWorks軟件建立的圓環鏈的三維模型（如圖1），為了簡化分析過程，只對其中的一個鏈節進行分析，將圓環鏈的中部用鉸鏈固定，限制4個自由度，兩端施加拉力，所施加拉力為250 kN，其方向如圖2所示。圓環鏈的網格化劃分如圖3所示，通過計算得到的位移、應力和安全系數云圖如圖4～圖6所示。

圖1 圓環鏈三維模型

圖2 圓環鏈載荷施加方向

圖3 圓環鏈網格化劃分

圖4 圓環鏈位移云圖

圖5 圓環鏈應力云圖

圖6 圓環鏈安全系數云圖

設smax為最大位移量，smin為最小位移量，L為刮板鏈重載段的長度，P為圓環鏈節距。則圓環鏈在運行阻力的作用下變形量Δ[5]為

假定刮板連續運輸車的溜槽各處運行阻力相同，且圓環鏈的伸長量與所受拉力成正比，則刮板鏈重載段所受的拉力呈線性變化，即圓環鏈由尾車的驅動端到頭車的從動端的各個鏈節伸長量線性減少，刮板鏈重載段總伸長量[5]為

經計算求得Δ=0.1185 mm，刮板鏈重載段總伸長量ΔL≈60.347 mm。由圖可見，圓環鏈兩端受拉力作用時，盡管在圓弧段與直線段接縫處會產生一定的應力集中，但因為最大應力σmax=324.799 MPa＜[σ]，安全系數最小值為1.910 17，且圓環鏈重載段的總伸長量小于鏈節長度，所以圓環鏈能滿足強度和剛度要求。

2 接鏈環的靜力學分析

刮板連續運輸車整條牽引鏈以圓環鏈為主體，用接鏈環連接，實現刮板鏈循環運動，但發生斷鏈也是最常見的故障之一，因此接鏈環成為牽引鏈中的薄弱環節。本文所用接鏈環為鋸齒式，材料為高強度合金鋼X38CrMoV4-1，其屈服強度、彈性模量和泊松比分別為1910 MPa、215 GPa和0.28。利用SolidWorks軟件建立的接鏈環三維模型（如圖7），接鏈環的中部用鉸鏈固定，限制4個自由度，兩端施加拉力，所施加拉力為250 kN，其方向如圖8所示。接鏈環的網格化劃分如圖9所示，通過計算得到的位移、應力和安全系數云圖如圖10～圖12所示。

圖7 接鏈環三維模型

圖8 載荷施加方向

圖9 接鏈環網格化劃分

圖10 接鏈環位移云圖

圖11 接鏈環應力云圖

圖12 接鏈環安全系數云圖

經計算求得Δ=smax-smin=0.13814 mm，這表明接鏈環與圓環鏈變形量的計算結果相近，接鏈環剛度與圓環鏈比較匹配。對比圖5和圖11可知，在接鏈環銜接處存在棱角，該處應力集中較為嚴重，這對牽引鏈的使用壽命會產生一定的影響，因此設計和制造過程中應加以注意。σmax=792.841 MPa＜[σ]，安全系數最小值為1.794 84，可知接鏈環也能滿足強度要求。

3 溜槽架的靜力學分析

溜槽架的材料為Q235，其屈服強度、彈性模量和泊松比分別為205 MPa、210 GPa和0.3。利用SolidWorks軟件建立的溜槽架三維模型（如圖13），限制5個自由度，使溜槽架只能沿拉力方向發生變形或位移。為了簡化分析，將摩擦力和重力忽略不計，僅考慮溜槽架所受的拉力作用，當刮板連續運輸車沿著最大傾角向上運動時，各個溜槽架所受拉力最大。設M為刮板連續運輸車整車質量，β為煤礦巷道傾角，則傾角最大時溜槽架所受拉力[5]為

經計算求得F=330 kN。載荷施加方向如圖14所示，溜槽架的網格化劃分如圖15所示，通過計算得到的位移、應力和安全系數云圖如圖16～圖18所示。經有限元仿真計算求得Δ=smax-smin=0.15404 mm，變形量足夠小，滿足剛度要求。由圖17可見，溜槽架的應力集中現象不明顯，σmax=122.761 MPa＜[σ]，最小安全系數為4.973 74，可知溜槽架也能夠滿足強度要求。

圖13 溜槽架三維模型

圖14 載荷施加方向

圖15 溜槽架網格劃分

圖16 溜槽架位移云圖

4 結 語

圖17 溜槽架應力云圖

圖18 溜槽架安全系數云圖

本文利用SolidWorks軟件對刮板連續運輸車中關鍵部件進行了靜力學分析，并對刮板連續運輸車中的關鍵結構進行了強度校核，結果表明所用圓環鏈、接鏈環和溜槽架均能滿足剛度和強度要求。通過對刮板連續運輸車中的關鍵結構進行靜力學分析，可以優化刮板鏈和溜槽架的結構，提高刮板連續運輸車使用壽命和可靠性，并為我國大型刮板連續運輸車關鍵部件的設計提供參考數據。