刮板輸送機驅動鏈輪結構的優化研究分析

吳堯龍 鄭月參 王建南

摘要：我國煤炭開采量不斷加大，促進了刮板輸送機的快速發展。到目前為止，已有很多學者對刮板輸送機的技術發展進行了大量研究。針對刮板輸送機的發展趨勢，詳細闡述了我國刮板輸送機的發展歷史和現狀，介紹了刮板輸送機的主要分類，重點指出了未來刮板輸送機技術研究的四個關鍵點，即加強基礎理論研究、使用和研制新型材料、改進關鍵部件的加工工藝、設計研發綜采面刮板輸送機狀態監測及故障診斷系統，并指出了未來刮板輸送機發展的趨勢。

關鍵詞：刮板輸送機;驅動鏈輪;結構優化;研究分析

引言

因煤礦井下工作環境復雜，刮板輸送機的傳動系統在長期負重工作時極易發生故障，輕者導致刮板輸送機運行效率降低，影響煤礦井下的綜采作業速度，嚴重者甚至造成人員傷亡事故。據統計，在煤礦井下刮板輸送機的事故中，鏈傳動系統的鏈環斷裂、鏈輪破損事故占到了鏈傳動事故的60%以上，給煤礦生產企業的正常生產造成了極大的影響，因此迫切需要對鏈傳動系統的斷鏈原因進行分析并針對性的制定結構優化措施，降低鏈傳動系統發生故障的概率，提升煤礦井下的綜采作業效率。

1鏈輪傳動特點分析

刮板輸送機作為一種重要的往復式輸送裝備，在重載條件下運行，存在比較明顯的結構損耗。刮板輸送機結構特點決定了其傳動鏈條系統在工作過程中會受到周期性變化的載荷作用，同時會受到落煤對其所產生的動載荷作用，可見刮板輸送機所承受的隨機載荷較大，其中部槽容易變形或刮板鏈條損耗加重，使用壽命大大降低。SGB380型刮板輸送機的傳動系統為雙驅動輪型，機頭參與嚙合的鏈條平環在自身重力、摩擦力以及鏈輪驅動力作用下產生滑移，這也加重了鏈條與鏈輪之間的磨損。在整個嚙合的過程中，鏈條與鏈輪之間始終處于接觸狀態，按鏈條與齒輪嚙合的動作的不同可以分為初始嚙合狀態、嚙合狀態、嚙出狀態。

2驅動鏈輪磨損失效分析

驅動小齒輪的主要失效形式是磨損、擠壓和齒斷裂。磨損可分為內部磨削材料磨損和表面疲勞磨損，疲勞磨損是由于接觸表面上的最大壓力應力以及圓形鏈接觸鏈輪巢時表面層下的最大剪切應力。很長一段時間后，在剪切應力作用下，接觸表面會出現裂縫，導致表面磨損。粒子磨損是由于鏈輪與圓形鏈之間的摩擦造成的，該摩擦是由鏈輪工作時的硬粒子引起的，從而導致磨料磨損。驅動小齒輪的磨損與它的壽命直接相關，驅動小齒輪工作越穩定，鏈輪的壽命就越長。

3刮板輸送機驅動鏈輪結構接觸分析

3.1鏈輪三維模型建立

為進一步掌握鏈輪在不同工況下的結構性能，結合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、鍵槽等關鍵部位。同時，對鏈輪中的較小非關鍵圓孔也進行了模型簡化。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，其材料的關鍵性能參數如表1所示。同時，由于鏈輪為實體結構，故在軟件中對鏈輪進行了實體單元設置，網格類型為四面體網格單元，網格大小為10mm。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15min，開展了鏈輪在不同工況下的結構強度分析。

3.2接觸、邊界條件、載荷的設置

套用負載之前，必須完成節點和單位元件的設定。指定1個鏈輪和10個環形鏈元件。鏈輪齒與鏈連結之間以及鏈連結之間的接觸設定為自動曲面接觸演算法，而無需手動設定接觸方向。靜態摩擦系數和動態摩擦系數分別為0.3和。0.2定義。根據脫料輪的實際行駛情況，計算拉力f = 7.3 kn，轉速v = 0.76m/s。假定鏈輪沿z軸逆時針方向，速度為64.3 r/min，驅動端為鏈輪的頂部。仿真計算時間設置為0.1s，分為22個子步驟。

3.3鏈輪傳動過程數值模擬及接觸分析

在刮板輸送機運行過程中，依靠齒輪傳動必然涉及到齒輪的磨損和壓潰以及鏈條和鏈環之間的接觸受力，因此對其進行動態數值模擬研究其力學特性就顯得尤為重要。數值模擬計算過程一般有三步，即數值模型的預處理、模型的計算以及后處理三步。選用ABAQUS軟件對傳動過程進行接觸動力學分析。ABAQUS軟件在計算非線性運動的過程中有明顯的優勢，因此被大量應用于工程的仿真與模擬計算中。在刮板輸送機運動過程中，因為設備為非線性動態運行，當慣性力隨時間變化很快時就需要做動力學分析計算，而ABAQUS軟件根據實際工程應用而生，在處理非線性動態問題方面優勢明顯，因此采用ABAQUS軟件。

3.4驅動鏈輪與圓環鏈的嚙合

齒廓曲線半徑、齒根曲線半徑和鏈灰姑娘曲線的大小會導致驅動小齒輪和圓鏈嚙合過程中整個網袋形狀發生變化。當齒形狀圓弧的半徑增加時，輪廓圓弧和圓的交點高于原始交點，從而減小角度并顯著增加它們之間的力。如果齒根弧的半徑增加，并且齒輪廓弧的半徑保持不變，則鏈輪和圓鏈之間的接觸面積也會增大，從而增加了斷裂的風險。在驅動小齒輪的工作過程中，在拉伸作用下，嚙合圓鏈從原始圓切換為橢圓環。造型變更會降低齒根弧半徑和鏈灰姑娘弧半徑，同時增加中心弧的中心距離，最終導致鏈輪和鏈灰之間的地面接觸面積增加。接觸面積的擴大似乎減少了磨損。但是，在實際工作中，鏈輪將更多地接觸鏈條灰的一側，并且載荷將增大，從而導致地面接觸對磨損的影響。

4鏈輪的結構優化改進

1）將鏈輪的結構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構強度;2）將鏈輪的厚度增加5mm，輪齒根部與輪齒連接處增加圓弧過渡，過渡圓弧設置為R5mm，能有效減小此區域的應力集中現象;3）增加輪齒的厚度5mm，鏈窩圓弧半徑增加2mm，可提高鏈輪的結構強度;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）加強對鏈輪作業時自身結構的維護保養，當發生鏈輪出現結構開裂、變形或斷裂等失效現象時，需及時對其進行維修，以避免刮板輸送機出現更大結構失效現象。6）分析了傳動小齒輪的磨損形式和失效原因，給出了疲勞損傷與壽命之間的關系曲線以及有助于提高傳動齒輪壽命的損傷總和公式。7）通過對根圓半徑、根曲線半徑和鏈灰姑娘曲線半徑進行正交試驗，找出了最有意義的參數，并給出了相應的根圓半徑、根曲線半徑和鏈灰姑娘曲線半徑曲線。8）對優化前后應力峰值進行分析后發現，優化鏈輪的最大應力值減小為156.7 MPa，而最大應變為1.078mm，最大應力減小6.57%，最大應力減小6.84%。。

結束語

通過對礦用刮板輸送機鏈輪傳動系統建模以及鏈輪傳動過程數值模擬及接觸分析得到，在鏈環受力運行的過程中，中間鏈環因為應力集中受力最大，因此位移變化也最大，在長期運行中容易被磨損破壞，影響刮板輸送機的運輸效率，因此礦井應該選擇合適型號的刮板輸送機。

參考文獻

[1]司利鵬.刮板輸送機驅動鏈輪接觸應力分析與優化改進[J].煤炭與化工，2020，43（07）：82-84.

[2]王新成.刮板輸送機多電機驅動功率平衡控制系統的研究[J].機械管理開發，2020，35（04）：75-76+79.

[3]王旭峰，梁影.刮板輸送機動張力特性分析與仿真[J].煤炭科學技術，2019，47（S2）：59-63.

[4]蘇華陽.刮板輸送機驅動鏈輪的動力學分析及其優化設計[D].太原理工大學，2019.

[5]毛君，楊辛未，陳洪月，宋秋爽.刮板輸送機的動態特性分析[J].機械設計，2018，35（06）：47-53.