不同工況下刮板輸送機減速箱箱體結構性能的研究

郭樹偉

（太原東山東峰煤業有限公司，山西 太原 030043）

引言

刮板輸送機作為煤礦開采中的關鍵設備，一旦其發生停機維修現象，將嚴重影響整個礦井中的煤礦開采，保障其設備的穩定及高效運行、減少設備的運行故障，已成為當前企業關注的重點方向，而保障刮板輸送機中的減速箱箱體的結構性能顯得尤為重要[1]。由于井下環境的復雜性，刮板輸送機經常也出現超負荷作業，加上外界經常受到較大的外界載荷沖擊，導致箱體在使用時也出現了結構變形、局部開裂、定位銷斷裂等失效現象，對煤礦的開采效率及作業安全構成了重要威脅，有必要對減速箱箱體進行結構性能研究[2]。為此，以SGZ1710型刮板輸送機箱體為分析對象，開展了該部件在不同工況下的結構性能研究，提出了箱體結構改進的措施。這對保障刮板輸送機的高效生產及使用壽命具有重要意義。

1 刮板輸送機及減速箱結構組成分析

礦用刮板輸送機作為煤礦開采中的關鍵設備，以SGZ1710型刮板輸送機為例，其結構主要包括機頭、機尾、減速箱、刮板鏈條、皮帶、機槽、驅動電機等部分，主要與其他設備進行相互配合，負責對開采煤礦的有效傳輸。其中減速箱中包括了行星輪、太陽輪、行星架、多級傳遞齒輪、箱體等部分，是整個設備中的核心[3]。而由于刮板輸送機的作業工況相對復雜，加上經常有煤礦碎石或煤灰掉入至減速箱中，加上箱體自身受到外界的無規律載荷作用，導致減速箱經常出現各類問題。設備在運行時經常出現如下問題：工作阻力較大，導致電機經常處于超高功率載荷下作業；同時設備的經常啟停使用，導致其受到了較大的沖擊載荷作用，對電網及傳輸帶造成了較大沖擊[4]。煤礦的較大沖擊，出現了卡鏈、鏈條損壞或斷裂等問題。箱體是減速箱中的關鍵部件，其結構主要包括輸入箱體、輸出箱體、中間上/下箱體、定位蓋等零件，如圖1 所示，由于外界載荷的無規律沖擊，箱體使用時也出現了局部區域變形、局部開裂、定位銷斷裂等失效現象，一旦出現失效，將會嚴重影響設備的正常開采作業[5]。為此，將重點對減速箱箱體結構在不同工況下的結構性能開展分析研究。

圖1 減速箱箱體結構組成圖

2 減速箱箱體模型建立

2.1 三維模型建立

為進一步掌握刮板輸送機減速箱箱體的綜合性能，需對其進行三維模型建立。為此，采用了Solidworks 軟件，結合SGZ1710型刮板輸送機中減速箱箱體的實際結構尺寸，按照1∶1 比例，對其進行了三維模型建立。由于箱體中存在工藝凸臺、軸承孔、倒角、圓角等特征，此些特征不僅會造成后文模型的網格劃分難度增大，也會對模型的分析精度構成影響，故對模型中的圓角、倒角等非關鍵特征進行了模型簡化，僅保留了箱體中輸入箱體、中間下箱體、定位蓋、中間上箱體、輸出箱體等部分[6]。

2.2 仿真模型建立

將所建立的箱體三維模型保存為x-t 格式后，將其導入至ABAQUS 軟件中，對其進行了有限元仿真模型建立。由于箱體在實際使用過程中采用了Q235材料，故在此軟件中將其材料設置為QT400-15 材料，其屈服強度為235 MPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.28，楊氏模量為161 GPa，并將此材料賦予給箱體。根據箱體的結構特點，在對其進行網格劃分時，確定了箱體的網格類型為實體單元類型，四面體網格，將箱體上關鍵受力部位進行了10 mm的四面體網格劃分，對箱體上其余部件進行了15 mm的四面體網格劃分，如圖2 所示。另外，對箱體底部連接孔處了進行了tie 固定約束，各部件之間也進行了tie 固定約束。由此，完成減速箱箱體的網格劃分。

圖2 減速箱箱體網格劃分圖

3 不同工況下結構性能分析

由于刮板輸送機的作業工況相對復雜，作業工況也相對較多，故選用了兩種典型工況對減速箱箱體結構性能進行了分析研究，包括額定工況和最大輸出扭矩工況。其中，額定工況主要是在軸向前端施加-1.3×105N的徑向力和1.04×105N的切向力。而最大輸出扭矩工況則是將驅動電機的旋轉扭矩設置為4.5×108N·mm，電機轉速設置為1 480 r/min。

3.1 額定工況下結構性能分析

結合建立的減速箱箱體仿真模型，得到了箱體在額定工況下的應力變化圖，如圖3 所示。由圖可知，箱體整體結構的應力集中現象相對較小，最大應力值主要集中于下輸出箱體端的螺栓連接孔處，并沿四周呈逐漸減小的變化趨勢，這是由于螺栓孔處受到較大的螺栓載荷作用，導致輸出箱體上的應力值較大；同時，在中間箱體的軸承座附近也出現了較大的應力集中現象，這是由于中間箱體的軸承座上承受著來自齒輪傳動箱上的較大外界載荷作用。而箱體的定位蓋及其他區域的應力值則相對較小。由此，找到了箱體在額定工況下的結構變化規律，箱體的輸出箱體上螺栓孔處及中間箱的軸承座是整個結構的薄弱部位，在設計及使用時需重點關注。

3.2 最大輸出扭矩工況下結構性能分析

通過仿真分析，得到了箱體在最大輸出扭矩下的應力變化圖，如圖4 所示。由圖可知，箱體整體結構也出現了不同程度的應力集中現象，在中間箱體的定位銷孔處的應力值則相對較高，并沿四周呈逐漸減小的變化趨勢，分析其原因為定位銷孔處受到了來自液黏傳動反方向的扭矩作用，產生了反向的剪切力，致使在其局部區域的應力值相對較高。輸出箱體的中部螺栓孔及中間箱體的軸承座上也出現了相對較高的應力集中現象，其應力相對較大的原因和額定工況基本相同。由此可知，減速箱箱體在最大輸出扭矩工況下，中間箱體的定位銷孔及軸承座等區域是整個結構的薄弱部位，若長時間的使用，極可能率先在此區域發生結構失效現象，需重點進行結構優化改進。

圖4 最少輸出扭矩工況下箱體應力（MPa）變化圖

結合兩種工況的應力狀態對比可知，在箱體最大輸出扭矩工況下，箱體的應力集中現象明顯比額定工況時更為明顯，且最大應力集中區域更多，在此工況下作業發生結構失效的可能性及風險會更高。

4 減速箱箱體的結構改進措施

結合前文分析可知，減速箱箱體在兩種工況下均出現了不同程度的應力集中現象，在中間箱體定位銷孔處和軸承座處及輸出箱體的螺栓孔處是整個結構的薄弱部位。為此，提出了減速箱箱體結構改進的幾點措施。

1）可將減速箱箱體的材料設置為Q345 材料，可將其材料的屈服強度由235 MPa 提高至345 MPa，保證箱體結構具有更高的結構強度；

2）增加箱體中的輸出箱體螺栓連接孔四周的鋼板厚度2 mm，并在應力集中的非關鍵區域開設直徑為2 mm的小孔，可實現將此區域集中的應力有效轉移至小孔處，降低應力集中現象；

3）增加中間箱體定位銷孔處鋼板的厚度2 mm，并在銷孔的左端也開設直徑為2 mm 小孔；

4）對中間箱體及輸出箱體應力集中區域內部加設加強筋結構，增加局部區域的支撐強度；

5）定期對減速箱箱體內添加潤滑油，保證箱體內部各部件之間具有較好的潤滑性能，降低部件之間的磨損；

6）盡量保證箱體不處于高強度、高扭矩等工況下工作，使得箱體結構受力均勻，不產生局部較大載荷作用。

5 結論

1）采用有限元分析方法來對刮板輸送機中關鍵部件的受力情況及結構性能進行分析研究，以最經濟、最高效的分析方法來找到部件存在的薄弱部位，已成為當前開展關鍵部件結構性能研究的重要方法。

2）箱體的中間箱體定位銷孔、輸出箱體的螺栓連接孔等區域均是其結構的薄弱部位，極容易率先發生結構失效現象。

3）針對箱體薄弱部位，從多方面對減速箱箱體的結構進行改進，為進一步提高減速箱箱體的結構性能及使用壽命提供重要保障作用。