SGZ1000型礦用刮板輸送機鏈輪結(jié)構(gòu)性能的仿真分析

劉全喜

（大同同比機械制造有限公司，山西 大同 037001）

引言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，諸多類型的煤礦設備被應用于煤礦開采作業(yè)中，刮板輸送機作為煤礦開采的重要設備，對提升煤礦開采量具有重要作用[1]。由于井下環(huán)境的惡劣性，加上煤礦開采過程中會產(chǎn)生大量的煤灰或煤石，導致刮板輸送機作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)機頭損壞、鏈輪斷齒、中部槽變形等異常失效故障。另外，由于外界煤石顆粒會夾雜在設備之間的嚙合處，加大了刮板輸送機出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效的概率[2]。鏈輪作為刮板輸送機中的關(guān)鍵部件，由于與鏈條之間嚙合時存在較大的載荷作用，一旦外界載荷過大，將極容易導致鏈輪出現(xiàn)輪齒變形、開裂或斷裂等失效現(xiàn)象。有效保證鏈輪的結(jié)構(gòu)強度，降低其結(jié)構(gòu)失效概率，成為提高刮板輸送機作業(yè)效率及使用壽命的重要方面。為此，以SGZ1000型礦用刮板輸送機中鏈輪為分析對象，對鏈輪在不同工況下的結(jié)構(gòu)強度進行研究。

1 刮板輸送機結(jié)構(gòu)特點分析

目前，市場上的刮板輸送機種類相對較多，但其結(jié)構(gòu)基本相同，主要由機尾、傳動裝置、驅(qū)動系統(tǒng)、鏈輪、鏈條、中部槽、過渡槽、抬高槽、機頭等部件組成，如圖1所示。根據(jù)中部槽的結(jié)構(gòu)寬度，又可將刮板輸送機分為630、764、800、880、1000、1200等系列[3]，其工作原理主要是通過傳動裝置帶動鏈輪旋轉(zhuǎn)從而帶動鏈條、刮板運動，實現(xiàn)將進入到溜槽內(nèi)的煤炭從機尾運輸至機頭，最終轉(zhuǎn)運至轉(zhuǎn)載機上。刮板輸送機作業(yè)時經(jīng)常會出現(xiàn)難啟動、強度機械沖擊、電流過大、頻繁過載及較大的振動沖擊等問題，此些異常現(xiàn)象均會嚴重影響設備的正常開采。

圖1 刮板輸送機結(jié)構(gòu)圖

鏈輪在作業(yè)時也經(jīng)常會出現(xiàn)磨損嚴重、斷齒、輪齒壓潰等故障，其現(xiàn)場斷裂圖如圖2所示。其中，鏈輪的磨損則是由于在與鏈條嚙合接觸處聚集了一定的煤石或粉塵，增加了接觸處的摩擦力，長時間的嚙合，致使鏈輪的磨損更加嚴重[4]。鏈輪的壓潰失效主要是由于鏈輪在生產(chǎn)過程中未按標準的生產(chǎn)工藝進行生產(chǎn)，省略了必要的工序，或選用了不合格材料等引起，加上鏈輪長時間受到較大的載荷作用，特別是設備的過載啟動瞬間，導致鏈輪發(fā)生了不同程度的塑形變形現(xiàn)象，進而使鏈輪出現(xiàn)了穩(wěn)定磨損現(xiàn)象[5]。

2 刮板輸送機鏈輪模型建立

2.1 鏈輪三維模型建立

為進一步掌握鏈輪在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能，結(jié)合SGZ1000型礦用刮板輸送機中鏈輪為分析對象，采用Solidworks軟件，對其進行了三維模型建立。在建模過程中，為提高整個分析過程的精度和分析速度，將鏈輪中的圓角、倒角、過渡圓弧等特征進行了模型簡化，僅保留了鏈輪中輪齒、中心軸、鍵槽等關(guān)鍵部位[6]。同時，對鏈輪中的較小非關(guān)鍵圓孔也進行了模型簡化。所建立的鏈輪三維模型如圖3所示。

圖2 鏈輪現(xiàn)場斷裂圖

圖3 鏈輪三維模型圖

2.2 鏈輪結(jié)構(gòu)分析模型建立

將建立的鏈輪三維模型保存為stp格式后，導致如ABAQUS軟件中，對鏈輪進行仿真模型建立。在軟件中，首先將鏈輪的材料設置為Q235材料，其材料的關(guān)鍵性能參數(shù)如表1所示。同時，由于鏈輪為實體結(jié)構(gòu)，故在軟件中對鏈輪進行了實體單元設置，網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格單元，網(wǎng)格大小為10 mm。同時，將鏈輪與鏈條之間進行了接觸設置，并對鏈輪中部軸孔進行了旋轉(zhuǎn)約束設置。在鏈輪上施加了牽引作用力。整個模型的分析時間設置為15 min，開展了鏈輪在不同工況下的結(jié)構(gòu)強度分析。

表1 Q235材料主要性能參數(shù)

3 鏈輪結(jié)構(gòu)性能分析

為找到鏈輪的結(jié)構(gòu)性能，在其中部軸孔上施加了400 kN·m和500 kN·m的旋轉(zhuǎn)扭矩，即工況一和工況二條件，以此模擬鏈輪在不同外界載荷下的結(jié)構(gòu)性能變化規(guī)律。

3.1 工況一下鏈輪結(jié)構(gòu)性能分析

在此工況條件下，得到了鏈輪的應力變化圖，如圖4所示。由圖可知，鏈輪整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應力分布不均勻現(xiàn)象，其中，鏈輪上輪齒根部的應力相對較大，達到了198.03 MPa，雖小于其材料的屈服強度235 MPa。鏈輪輪齒根部一周的應力值均相對較高，而其輪齒上及頂部的應力值則相對較小。由此，找到了鏈輪輪齒根部位整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，由于鏈輪作業(yè)時經(jīng)常會遇到較大外界突增載荷，故在此區(qū)域極容易率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，需對其進行結(jié)構(gòu)加強優(yōu)化。

圖4 鏈輪應力（MPa）變化圖

圖5 鏈輪結(jié)構(gòu)變形（mm）圖

圖5為鏈輪在此工況下的位移變化圖。由圖可知，鏈輪整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)位移變化，最大位移出現(xiàn)在鏈輪與鏈條接觸處，最大位移為0.192 6 mm，整體變形量相對較小。鏈輪的其他區(qū)域位移變化相對較小。由此，找到了鏈輪作業(yè)時的最大變化位移集中在與鏈輪接觸處，若鏈輪輪齒頂部結(jié)構(gòu)強度不足，在較大的外界載荷下極容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂現(xiàn)象，需對此進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級。

3.2 工況二下鏈輪結(jié)構(gòu)性能分析

通過分析，得到了鏈輪在此工況下的應力變化圖。由圖6可知，鏈輪在此工況下也出現(xiàn)了應力分布不均勻現(xiàn)象，最大應力值集中在鏈輪的輪齒根部，達到201.9 MPa，也小于鏈輪材料的屈服強度235 MPa。鏈輪的輪齒、中部軸及鍵槽處的應力值相對較小。與前文的應力變化規(guī)律基本相似。為此，為提高鏈輪的使用壽命，有必要對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。

圖7為鏈輪在此工況下的結(jié)構(gòu)位移變化圖。由圖可知，鏈輪整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同程度的位移變化，最大變化位移也出現(xiàn)在鏈輪與鏈條之間的接觸處，最大變形位移為0.386 6 mm，鏈輪其他區(qū)域的變形量則相對更小，此規(guī)律也與上文基本相同。由此，在此工況下，鏈輪的最大變形處也出現(xiàn)在與鏈條接觸處。

4 鏈輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進

結(jié)合前文分析，找到了鏈輪輪齒根部出現(xiàn)了較大的應力集中現(xiàn)象，且輪齒頂部的結(jié)構(gòu)變形量相對較大，此些區(qū)域為整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，需對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，具體如下：

1）將鏈輪的結(jié)構(gòu)材料設置為屈服強度更高的Q345材料，使其在使用過程中具有更高的結(jié)構(gòu)強度；

2）將鏈輪的厚度增加5 mm，輪齒根部與輪齒連接處增加圓弧過渡，過渡圓弧設置為R5 mm，能有效減小此區(qū)域的應力集中現(xiàn)象；

圖6 鏈輪應力（MPa）變化圖

圖7鏈輪結(jié)構(gòu)變形（mm）圖

3）增加輪齒的厚度5 mm，鏈窩圓弧半徑增加2 mm，可提高鏈輪的結(jié)構(gòu)強度；

4）定期對鏈輪與鏈條之間的嚙合接觸部位的煤石或煤灰進行清理，保證嚙合處具有更低的摩擦力，減少鏈輪的磨損程度；

5）加強對鏈輪作業(yè)時自身結(jié)構(gòu)的維護保養(yǎng)，當發(fā)生鏈輪出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂、變形或斷裂等失效現(xiàn)象時，需及時對其進行維修，以避免刮板輸送機出現(xiàn)更大結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1）由仿真分析結(jié)果可知，鏈輪的輪齒根部及齒頂嚙合區(qū)域為整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，雖分析結(jié)果值在材料的屈服強度范圍內(nèi)，但若遇到較大或更嚴峻工況條件，將會在此區(qū)域率先發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或斷裂失效現(xiàn)象。

2）根據(jù)找到的鏈輪的結(jié)構(gòu)性能變化規(guī)律，對鏈輪的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，對提高鏈輪及刮板輸送機的使用壽命具有重要意義。