刮板輸送機減速器結構優化模擬研究

丁 華

（山西省長治經坊煤業有限公司， 山西 長治 046000）

引言

煤炭資源作為我國一種常見的傳統資源，其在我國的能源利用率占比十分巨大，據不完全統計，在我國煤炭資源作為支柱能源的格局預計50 年內不會發生改變。隨著我國多年的煤炭開采，眾多的開采難題困擾著礦井的高效開采，如煤炭資源賦存分散、機械化水平程度較低、開采污染問題嚴重等均困擾著礦井的正常生產，所以促進煤炭行業高效、安全、可持續發展成為了礦井開采的目標。刮板輸送機是井下運輸的關鍵設備，其工作性能直接影響礦井的開采效率。在刮板輸送機工作過程中，減速器承擔著動力輸送的任務，通過齒輪傳動達到調速目的，但由于礦井工作面環境較為惡劣，矸石、灰塵、振動等均會增加減速器故障率，所以對減速器進行一定的研究十分必要[1-2]。目前，我國學者對刮板輸送機減速器的研究較少，導致減速器的優化設計并不能達到預期目標[3-4]，所以本文基于減速器質量、剛度、尺寸等參數對刮板輸送機減速箱進行研究，利用數值模擬軟件對減速箱的關鍵部位進行優化設計。

1 減速器優化

對刮板輸送機的減速箱進行優化設計并不能脫離實際情況，所以為了保證優化設計能夠解決實際問題，首先對某礦減速器發生故障失效形式進行統計，發現在所有發生故障的事件中，出現頻率較高的形式有異響、滲漏油、打齒、軸承失效等，其中箱體相關故障的發生率超過50%。在所有失效故障中，發生故障的原因并不是單一存在的，而是由眾多的綜合因素共同導致，所以需要對導致故障發生的主要因素進行優化，經過對事故發生機理進行分析，確定對箱體的材料、結構尺寸、成型工藝等進行設計，以此來達到目標要求。

對材料進行選擇，刮板輸送機的箱體主要起到支撐、固定零件及定位的作用，同時能夠起到密封效果，所以箱體材料的選擇需要考慮剛度、加工性能、使用環境、成本各個方面因素。對箱體成型工藝進行分析，成型工藝主要有焊接和鑄造，焊接工藝對結構較為復雜的箱體，無法保證其密封性能，所以不作考慮，本文選定鑄造為成型工藝。箱體材料可選的種類較多，其中按照材質的種類可分為鑄鐵、鑄鋁、鑄鋼，對不同材料的性能進行分析：鑄鐵是最為常見的箱體金屬材料，其成本較為低廉，同時成型工藝較為完善，加工機械要求較低，對于加工結構復雜的箱體較為有利。其中球墨鑄鐵能夠有效提高鑄鐵的性能，在保證普通鑄鐵工藝的基礎上較好地提升材料的剛度及強度。鑄鋼和鑄鋁同樣是減速箱鑄造的常見材料，但兩種材料成本較高，同時鑄鋁箱在井下會發生爆炸，所以無法使用。綜合考慮后選定材料為球墨鑄鐵，根據對材料的分析，選定QT500-7 為箱體材料。

2 數值模擬計算

對箱體結構進行設計，本文選定箱體的總體結構為上、下箱體結構，箱體壁厚的選擇根據箱體設計經驗，選定為30 mm 的箱體厚度，同時在受力集中的部位設置加強筋，來達到提高箱體強度的目的。為了驗證結構整體受力情況，利用ANSYS 數值模擬軟件進行研究，將設計的減速箱結構導入模擬軟件中，對結構進行優化設計，考慮到結構細小倒角、圓角等對整體模擬結果并不會有較大的影響，所以對細小不規則結構進行簡化，減速器簡化后的三維實體模型如下頁圖1 所示。

圖1 三維實體模型

對模型進行單元網格劃分，根據模型的應力分析需要，選定三維單元Solid186 進行網格劃分，完成網格劃分后對材料的屬性設定，為提升模擬的精度，根據材料QT500-7 對模型進行設定，材料的泊松比為0.29，材料的彈性模量為216 GPa，材料的密度為7 800 kg/m3。完成材料屬性設定后對模型的邊界條件進行設定，減速器箱體主要起到支撐主軸、固定齒輪以及吸收周期性振動的作用。刮板輸送機減速器受到支撐軸承載荷及自身的重力，因此選定軸承孔的曲面作為載荷作用面，進行約束設定，同時對輸出端法蘭面施加垂直及水平方向的固定約束。對模型進行靜力學分析。

對正轉和反轉兩種工況下減速箱的應力應變進行分析，模擬云圖如圖2 所示。

圖2 模擬計算云圖

從圖2 可以看出，當模擬輸入軸正轉時，此時刮板輸送機的減速器在應力集中部位受到的最大等效應力值為12.73 MPa，正轉工況下受到的最大變形為0.038 1 mm。根據云圖可以看出，減速器箱體應力集中主要分布于主軸輸入端的箱體法蘭位置，同時在筋板處也存在一定的應力集中現象。刮板輸送機減速箱的變形主要位于法蘭盤上，這是由于在此位置受到刮板輸送機的自重影響較大，使得法蘭盤產生一定的向下變形。觀察輸入軸反轉時應力應變云圖可以看出，此時減速器箱體呈現的最大等效應力數值為21.48 MPa，減速箱受到的最大變形為0.079 7 mm，箱體應力集中主要存在于輸入主軸軸承孔外側箱體位置，在減速箱殼體的其他位置應力分布較小，變形量最大位置同樣處于輸出軸法蘭盤上。根據先前的研究可知，減速箱的材料為QT500-7，材料的屈服應力為320 MPa，材料的許可伸長率為7%。所以綜合對比可知，刮板輸送機減速器箱體設計能夠完全滿足刮板輸送機減速器箱體在運行過程中安全的要求。

根據數值模擬分析可以看出，設計的減速器箱體在一定的程度下存在較大的應力富裕量，所以為了保證材料的成本，對結構尺寸進行一定的優化，在保證滿足運行安全的基礎上，達到小于屈服強度320 MPa的要求。根據模擬結構對結構的尺寸進行優化，首先設定箱體壁厚為30 mm 時，箱體整體受力遠低于屈服極限，所以將原箱體壁厚進行縮減，將壁厚設定為13 mm，同時對法蘭壁厚進行削減，從原有的80 mm減小至45 mm，完成尺寸優化后對其進行模擬分析，考慮到反轉工況下模擬結果較大，所以在進行優化設計后對反轉工況下的箱體應力應變進行研究，模擬云圖如圖3 所示。

圖3 優化后反轉工況模擬云圖

從圖3 可以看出，在輸入軸進行反轉時，此時的刮板輸送機減速器箱體最大等效應力值為156.31 MPa，而箱體的最大變形為1.104 2 mm。受力及變形的大小均小于材料QT500-7 的屈服應力320 MPa 和材料伸長率為7%。同時對比最大等效應力與許用應力后可得安全系數n≈2.05，所以經過尺寸優化后，此時的減速器箱體在降低自重及成本的同時滿足強度設計要求。對比優化前后減速器箱體模擬結果可以得出，與原減速器箱體相比，優化后的減速器箱體自重降低了14.78%，基于原有結構參數進行的優化具有很強的可行性，滿足優化設計的要求。

3 結論

1）對刮板輸送機的減速箱故障失效形式進行分析，選定QT500-7 為箱體材料，同時采用球墨鑄鐵成型工藝進行減速器生產。

2）當模擬輸入軸正轉時及輸入軸反轉時應力變形云圖可以看出，減速器箱體設計能夠完全滿足刮板機減速器箱體在運行過程中安全的要求。

3）對減速器進行尺寸優化，優化后反轉工況減速器箱體最大等效應力值為156.31 MPa，而箱體的最大變形為1.104 2 mm，滿足材料強度要求，設計方案可行。