刮板輸送機鏈輪鏈環嚙合情況與優化改進研究

摘 要：針對礦山生產中十分常用的刮板輸送機設備，在介紹其構成和工作原理的基礎上，采用建模和模擬的方法確定其鏈輪鏈環嚙合情況及存在的問題，然后提出相應的優化改進措施，最后經模擬驗證了優化改進措施的合理性與有效性，旨在為實際的刮板輸送機優化改進工作提供參考借鑒。

關鍵詞：礦山生產;刮板輸送機;鏈輪鏈環嚙合;UG軟件;優化改進

1 刮板輸送機構成與工作原理

礦山開采中，刮板輸送機實際應用十分廣泛，在礦山生產中屬于重要裝置類型。在刮板輸送機當中，刮板鏈為主要驅動裝置，實際使用中，因工作環境條件比較復雜且惡劣，在鏈輪及鏈條的嚙合過程中容易產生一些故障問題。這就需要在實際工作中根據刮板輸送機實際情況，通過模擬分析做好優化改進。刮板輸送機主要由四個部分構成，即機頭、中間、機尾與附屬部分，鏈輪與鏈條主要出在機頭與中間處[1]。刮板輸送機的主要構成如圖1所示。

溜槽主要作用在于對物料進行承載，采用鏈輪與鏈條作為牽引機構，在鏈條上設置刮板。正常工作時，傳動系統在電機的驅動下使鏈輪開始旋轉運動，鏈輪和鏈條之間的嚙合作用使鏈條進行循環運動，完成對物料輸送。受鏈輪驅動作用，刮板鏈一直進行閉合循環，物料在機尾處裝載，到達機頭處后進行卸載[2]。

2 模型構建

對型號為SGZ800/800的刮板輸送機實施研究與分析，以尺寸大小為依據，借助UG建模工具進行三維模型的構建。在畫出鏈環的中心線以后，因鏈環的結構可以做到上下和左右均對稱，所以僅需畫出1/4草圖。將中心線上某個端點作為基準，在它的垂直方向上建立基準面，在這個基準面上將中心線的端點作為圓心，對鏈環形狀進行繪制。利用UG軟件具有的掃掠功能，將圓形輪廓作為基礎，以中心線為進行掃掠的路徑實施掃掠，以此建立1/4鏈環。利用UG軟件具有的鏡面功能，將之前得到的鏈環作為基礎，建立完整的鏈環[3]。

相較于鏈環，鏈輪模型比較復雜，但也可以借助UG模型來建模。首先，在UG軟件當中畫出一個草圖，并在草圖上對直徑方向上的輪廓線進行繪制，然后借助軟件具有的回轉體功能確定鏈輪整體形狀;將鏈輪的斷面作為基準面，在這一基準面上對鏈輪的輪廓線進行繪制，同時用軟件具有的拉伸功能將齒槽挖出，將這一齒槽作為基礎，通過對軟件具有的陣列功能的應用，對其他齒槽進行繪制;在鏈環和鏈輪之間的結合對稱面進行基準平面的創建，在這一平面上對平環輪廓線進行繪制，并選擇某一端點建立嚙合。利用軟件具有的掃掠功能建立鏈窩，并利用軟件具有的陣列功能建立其他鏈窩，不斷對鏈輪其他結構予以完善，包括鍵槽與軸孔。

借助UG軟件完成對三維模型的構建后，在軟件當中實施有限元建模，包括材料設置、網格劃分與邊界條件設置。對鏈條和鏈輪根據裝配位置關系實施定位，再對其實施網格劃分。在這一模型中，采用有10個節點的四面體單元為嚙合模型實施網格劃分，同時對劃好的網格實施檢查和修復，保證計算能夠順利完成。以實際生產制造所用材料為依據在軟件當中進行材料屬性的設置，鏈條所用材料為23MnNiMo54鋼，這種材料的彈性模量為2.10×1011Pa，泊松比為0.3，屈服極限為1200MPa;鏈輪所用材料為30CrMnTi鋼，其彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，屈服極限為2300MPa。以鏈輪與鏈條具體工作情況為依據對初始與邊界條件進行設置，固定鏈輪位置，將所有外界載荷均施加于鏈環，采用108t的載荷。將參數與條件都設置好并檢查確認無誤后，方可開始計算，以獲得相應的結果[4]。

3 結果分析

為防止鏈輪和鏈環相嚙合時長環產生轉動，對鏈輪進行設計的過程中一般要求鏈輪和鏈環之間的重合度應保持1以內。輸送機正常工作時，其工作環境相對較差，對具體的工況很難進行預估。基于此，在進行模擬計算的過程中，應進行必要的簡化處理，即每次有且只有一個圓環鏈平環參與到嚙合的過程。根據鏈輪與鏈條正常工作時嚙合面實際應力與應變情況，從整體上看，鏈輪和鏈環之間的嚙合面，其位移的分布情況較為均勻，但在不同區域中，應力與應變的實際分布卻有著明顯的差異。導致這種情況的主要原因為對鏈輪和鏈環進行生產制造時，結構尺寸的實際匹配度相對較低，工作時，使立環內側周圍產生應力集中。為延長鏈輪自身使用壽命，需在生產制作過程中對表面予以特殊處理，使包面上形成一個厚度在5-15mm范圍內的淬硬層，然而，由于應力集中，所以會使這個淬硬層發生脫落，導致鏈輪的使用壽命受到很大影響。

4 優化改進

通過以上分析可以看出，如果鏈輪和鏈環的尺寸未能達到良好匹配，將在嚙合時產生應力集中的情況，導致結構件產生提前損壞。基于此，有必要對嚙合牙形予以適當的優化改進處理，將平環窩槽整改成橢圓的形狀，根據外界載荷實際情況和鏈條生產制作過程中所用材料具有的物理性質對橢圓具體形狀和尺寸大小進行確定，以此在荷載力相對較大的情況下可以良好貼合，增加嚙合面上的有效嚙合面積，確保嚙合面上的壓力得以均勻的分布[5]。

采用以上方法完成優化改進之后，按照以上提到的建模及模型方法重新進行模擬分析。通過模擬分析可以看出，完成對嚙合牙形的有效優化改進之后，嚙合面上的應力與應變無論是極值還是平均值均得到一定程度的降低，采用優化改進之后的牙形，能有效減小或避免應力集中，使整個結構件的實際運行保持穩定，防止鏈輪和鏈條在工作時產生硬化層剝落。

5 結語

說綜上所述，借助UG軟件對型號為SGZ800/800的刮板輸送機進行鏈輪和鏈環之間的嚙合實際情況予以模型建立與分析，根據實際情況通過分析確定了在實際使用中存在的若干問題，其主要表現為嚙合牙形由于不匹配使嚙合面上產生應力集中的情況，導致硬化層因此大面積脫落，不僅影響結構件正常使用，而且還會造成一定程度的提前損壞，縮短結構件使用壽命，造成經濟損失。對于這一實際問題進行有針對性和目的性的優化改進，通過對嚙合牙形的適當改進，實現對其應力應變實際狀態的有效改善，使嚙合面實際受力保持均勻，防止應力集中現場的發生，延長結構件實際使用壽命。

參考文獻：

[1]李剛.SGZ1000/2×855型專用刮板輸送機的研制與應用[J].山東煤炭科技，2020，10（05）：118-120.

[2]楊志懷.基于ANSYS的礦用刮板輸送機鏈輪與鏈環嚙合特性分析[J].煤礦現代化，2020，12（03）：130-132.

[3]陳太光.三電平組合式防爆高壓變頻器在煤礦刮板輸送機上遠距離驅動的應用[J].煤炭技術，2020，39（05）：165-168.

[4]薛霄飛.刮板輸送機的安裝及操作維護保養分析[J].現代工業經濟和信息化，2020，10（04）：107-109.

[5]李曉棟.礦用刮板輸送機動力系統故障統計分析及預防措施[J].機械管理開發，2020，35（04）：259-261.

作者簡介：

馮嘉敏（1992- ），女，籍貫：山西省大同縣，畢業院校：2016年7月畢業于中國礦業大學，就讀機械工程專業，學士學位，職稱：助理工程師，工作單位：同煤集團挖金灣煤業公司調度室，從事工作及研究方向：煤礦機械方向。