一種井下重載支架搬運(yùn)車提升機(jī)構(gòu)鏈輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 斌

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)技術(shù)研究院，陜西 榆林 719315)

0 引言

煤炭作為中國(guó)主體能源和重要工業(yè)原料，有力支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)平穩(wěn)快速發(fā)展，隨著經(jīng)濟(jì)體量的增大，對(duì)能源需求與日俱增，煤炭消耗量極大[1]。隨著技術(shù)進(jìn)步，開采機(jī)械化程度不斷提高，開采工作面鋪設(shè)和設(shè)備搬遷已成為影響礦區(qū)開采工作連續(xù)性的主要因素，尤其是液壓支架等開采工作面必須的大型設(shè)備[2]。

在工作面鋪設(shè)和回撤時(shí)，支架搬運(yùn)車是用于液壓支架轉(zhuǎn)運(yùn)的專用設(shè)備，保障液壓支架的快速搬遷，提高工作效率。液壓支架搬運(yùn)車，根據(jù)其承重部分結(jié)構(gòu)的不同，將其分為3種類型：平板拖車式、鏟板式以及U型框架式[3]。其中，U型框架式具有重心低、裝卸簡(jiǎn)單及重量輕的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外煤礦中。液壓支架搬運(yùn)車的提升機(jī)構(gòu)作為液壓支架與搬運(yùn)車之間的連接機(jī)構(gòu)，使液壓支架隨支架搬運(yùn)車平穩(wěn)移動(dòng)。大噸位液壓支架達(dá)60 t、80 t、100 t，因此要求提升機(jī)構(gòu)不僅滿足支架提升行程，而且要求具有高可靠性。

以井下80 t U型整體式支架搬運(yùn)車的提升機(jī)構(gòu)故障為研究對(duì)象，其主要組件布置如圖1所示。車架上平面安裝有4組提升機(jī)構(gòu)，提升機(jī)構(gòu)主要由鏈條、鏈輪、固定安裝底座、提升油缸和吊鉤等組成，吊鉤通常鉤在液壓支架上。

圖1 提升機(jī)構(gòu)布置

1 液壓支架搬運(yùn)車結(jié)構(gòu)及工作原理

提升機(jī)構(gòu)主要由鏈條、鏈輪、固定安裝底座、提升油缸和吊鉤等組成[4]，如圖2所示。其工作原理：提升油缸伸長(zhǎng)，使鏈輪旋轉(zhuǎn)，鏈條固定在鏈輪上，當(dāng)鏈輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，鏈條隨之上升，鏈條上的吊鉤掛在液壓支架上，因此液壓支架會(huì)隨之上升。反之，當(dāng)提升油缸縮短時(shí)，鏈輪反向旋轉(zhuǎn)，鏈條下降，液壓支架隨之下降。整車安裝有4組提升機(jī)構(gòu)，與液壓支架質(zhì)心對(duì)稱，保障液壓支架平穩(wěn)移動(dòng)。

圖2 提升機(jī)構(gòu)示意

2 液壓支架提升機(jī)構(gòu)常見故障

鏈輪和鏈條作為提升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)部件，因此提升機(jī)構(gòu)出現(xiàn)損壞的部件主要是鏈輪和鏈條。提升油缸驅(qū)動(dòng)擺臂帶動(dòng)鏈輪繞主軸軸線旋轉(zhuǎn)，鏈輪帶動(dòng)鏈條動(dòng)作。實(shí)際上在液壓支架搬運(yùn)行駛中，鏈條承受交變載荷，鏈條與鏈輪之間不斷咬合，因局部出現(xiàn)出現(xiàn)卡滯或者傳動(dòng)不通暢，就會(huì)使鏈輪和鏈條之間發(fā)生斷裂和啃傷等破壞形式，從而導(dǎo)致鏈輪磨損、鏈條斷裂，影響車輛正常運(yùn)行。如圖3所示，某整體式支架搬運(yùn)車提升鏈條與鏈輪存在啃傷現(xiàn)象，鏈輪最外側(cè)齒窩處與鏈輪接觸啃傷，導(dǎo)致兩者之間傳導(dǎo)不暢，出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，又因鏈條和鏈輪循環(huán)反復(fù)作用，導(dǎo)致鏈條容易斷裂，鏈輪也在此處受損。

圖3 鏈條破壞處

3 故障分析

在鏈條鏈輪出現(xiàn)啃傷故障現(xiàn)象時(shí)，需要對(duì)各部件逐步進(jìn)行排查，找出產(chǎn)生此故障的原因。

3.1 提升機(jī)構(gòu)部件狀態(tài)復(fù)查

3.1.1 固定安裝底座狀態(tài)復(fù)查

固定安裝底座支耳底板焊接結(jié)構(gòu)，若固定安裝底座剛度不足或者連接不可靠，均會(huì)因此提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行不平穩(wěn)。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物觀察，安裝底座未發(fā)生變形、焊縫開裂現(xiàn)象；安裝螺栓也未出現(xiàn)變形、松脫等現(xiàn)象，因此可以排除因固定底座而導(dǎo)致的機(jī)構(gòu)運(yùn)行不平穩(wěn)的原因。

3.1.2 提升油缸狀態(tài)復(fù)查

4個(gè)提升油缸同時(shí)提升80 t液壓支架，按照載荷均勻分配，并考慮起吊角度影響，各提升油缸的起吊重量約為20.7 t。在提升過(guò)程中，可能出現(xiàn)偏載或者在提升過(guò)程中存在單點(diǎn)偏載調(diào)整的情況，因此在提升油缸設(shè)計(jì)時(shí)，在額定工作壓力下，單個(gè)油缸推力達(dá)到36.5 t，具有1.6倍冗余提升載荷，油缸的推力能夠滿足提升機(jī)構(gòu)的使用要求。

油缸在工作時(shí)，其原理是推桿，因此還需對(duì)油缸進(jìn)行穩(wěn)定性校核，判斷其是否存在失穩(wěn)現(xiàn)象。在油缸伸長(zhǎng)至工作長(zhǎng)度1 370 mm，液壓支架提升至最高時(shí)，油缸上的最大推力按照36.5 t計(jì)算，油缸桿徑為85 mm，按照歐拉公式進(jìn)行校核如下

式中，E為材料的彈性模量，MPa；I為慣性矩,mm4。經(jīng)計(jì)算，其臨界力Fcr為282 t，安全系數(shù)為7.7，因此油缸在工作行程范圍內(nèi)，不存在失穩(wěn)現(xiàn)象。

基于以上分析，可以排除因油缸推力不足及運(yùn)行不穩(wěn)定而導(dǎo)致提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行不平穩(wěn)的原因。

3.1.3 鏈輪狀態(tài)復(fù)查

鏈輪的材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)合金鋼42CrMn，采用整體調(diào)質(zhì)，局部淬火處理，淬火硬度50～55 HRC，其屈服強(qiáng)度在1 000 MPa，經(jīng)查工藝制造流程及相關(guān)檢驗(yàn)記錄，鏈輪的本體強(qiáng)度和局部淬火硬度均滿足圖紙要求，經(jīng)復(fù)檢，實(shí)物在制造過(guò)程中，不存在超差現(xiàn)象。

3.1.4 鏈條狀態(tài)復(fù)查

該液壓支架搬運(yùn)車為80 t級(jí)，所用鏈條符合《GB/T 12718—2009礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈》標(biāo)準(zhǔn)[5]，其提升機(jī)構(gòu)的鏈條選用規(guī)格為22 mm×86 mm，質(zhì)量等級(jí)D級(jí)(又稱100級(jí))其參數(shù)見表1。其最小破斷載荷為76 t，滿足鏈條的工作提升力約為20.6 t，其安全系數(shù)滿足使用要求，因此可以排除因鏈條強(qiáng)度不足而導(dǎo)致鏈條損壞的原因。

表1 22 mm×86 mm高強(qiáng)度圓環(huán)鏈技術(shù)參數(shù)(D級(jí))

3.1.5 吊鉤狀態(tài)復(fù)查

吊鉤安裝在鏈條的下端，處于故障點(diǎn)的下段，因此可以排除其對(duì)故障點(diǎn)的影響。

3.2 尺寸配合機(jī)理復(fù)查

以上已對(duì)所有相關(guān)元件的狀態(tài)進(jìn)行了復(fù)查，可以排除原部件材質(zhì)、規(guī)格的影響因素。因故障點(diǎn)出現(xiàn)在鏈條和鏈輪的接觸處，因此對(duì)此故障點(diǎn)進(jìn)行尺寸機(jī)理的分析校核。

在提升機(jī)構(gòu)中，鏈條與鏈輪接觸配合，鏈條的蝴蝶環(huán)扣在鏈輪的齒內(nèi)槽運(yùn)行，鏈條為橫縱蝴蝶環(huán)扣交錯(cuò)安裝，如圖2所示，蝴蝶環(huán)扣在橫向時(shí)，與鏈輪齒的內(nèi)側(cè)窩槽配合，實(shí)現(xiàn)鏈條和鏈輪的緊密配合，進(jìn)而保證鏈條和鏈輪的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

在鏈條上端嵌入提升鏈輪鏈窩內(nèi)，鏈條下部通過(guò)雙蝴蝶環(huán)扣與吊鉤連接，工作時(shí)吊鉤鉤入液壓支架起吊孔，通過(guò)油缸動(dòng)作實(shí)現(xiàn)支架提升和下降。車輛使用時(shí)，鏈條受力拉緊，從側(cè)面看，4組提升裝置工作時(shí)呈正向梯形，從正面看，4組提升裝置工作時(shí)呈倒梯形；鏈條在鏈輪鏈窩內(nèi)部分均相對(duì)固定，伸出鏈輪部分隨支架擺動(dòng)，因此鏈條與鏈輪最外側(cè)齒窩相接部分存在擠壓和相對(duì)滑動(dòng)，如圖4所示。根據(jù)故障現(xiàn)象分析，可能原因是鏈輪側(cè)齒窩較小，平面不夠，鏈條在其上并未形成平面接觸，蝴蝶環(huán)扣與側(cè)齒窩的邊角接觸擠壓，在提升過(guò)程中，此處形成應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致鏈條被啃傷，長(zhǎng)期循環(huán)反復(fù)作用，鏈條易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。因此鏈輪齒窩較小，平面不足是提升鏈條啃傷斷裂的主要原因。

圖4 鏈條與鏈輪最外側(cè)齒窩相接部分

3.3 次要原因

在實(shí)際采購(gòu)使用過(guò)程中，因此種礦用圓環(huán)鏈能滿足使用要求，但因其質(zhì)量等級(jí)較高(D級(jí))，制造廠家較少，采購(gòu)配套受限。常采用常規(guī)質(zhì)量等級(jí)鏈條(C級(jí))進(jìn)行替代，將尺寸規(guī)格提高至26 mm×92 mm，其極限工作載荷為15.3 t，與22 mm×86 mmD級(jí)鏈條相比，極限載荷降低。并且因圓環(huán)扣的尺寸加大，與鏈輪齒內(nèi)側(cè)窩槽配合更加不貼合，使原環(huán)扣更易被窩槽邊角啃傷，見表2。

表2 26 mm×92 mm高強(qiáng)度圓環(huán)鏈技術(shù)參數(shù)(C級(jí))

對(duì)比另外一款80 t級(jí)液壓支架搬運(yùn)車，其提升機(jī)構(gòu)的鏈條使用22 mm×86 mm，質(zhì)量等級(jí)D級(jí)，在鏈輪尺寸一致的情況下，此種礦用圓環(huán)鏈能滿足使用要求，鏈條存在少許啃傷磨損現(xiàn)象，相較于本故障鏈條啃傷面積明顯減少。

根據(jù)以上分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了鏈條實(shí)際采購(gòu)規(guī)格相較于設(shè)計(jì)規(guī)格尺寸加大、等級(jí)降低，是導(dǎo)致提升鏈條啃傷斷裂的又一個(gè)原因。

4 改進(jìn)措施

提升鏈輪圖紙是參照《GB/T 24503—2009礦用圓環(huán)鏈驅(qū)動(dòng)鏈輪》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]，查詢相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其適用范圍包括刮板輸送機(jī)、刮板轉(zhuǎn)載機(jī)、刨煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)中以圓環(huán)鏈作牽引鏈的驅(qū)動(dòng)鏈輪，也適用于以圓環(huán)鏈作牽引鏈的其他設(shè)備中的驅(qū)動(dòng)鏈輪[7]；但其鏈輪和鏈條全程貼合運(yùn)行，鏈條運(yùn)動(dòng)軌跡與鏈輪節(jié)圓相切[8]，而支架搬運(yùn)車的提升點(diǎn)位設(shè)置為四點(diǎn)斜拉式，因此標(biāo)準(zhǔn)鏈輪設(shè)計(jì)并不適用于提升鏈輪，提升鏈輪尺寸并不能完全按照其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，應(yīng)按照鏈條運(yùn)行軌跡，對(duì)鏈輪齒進(jìn)行匹配性設(shè)計(jì)，使鏈條和鏈輪齒能夠匹配貼合，既滿足承載要求，又無(wú)銳角接觸，進(jìn)而保證鏈條在鏈輪上運(yùn)行順暢[9]。

根據(jù)原標(biāo)準(zhǔn)鏈輪計(jì)算，鏈窩中心距A=114 mm，短齒厚度W=81 mm，適配鏈條中心距L=108 mm，鏈條與鏈窩活動(dòng)間隙有6 mm，為保證鏈條平面長(zhǎng)度，適配鏈輪短齒厚度需相應(yīng)加寬12 mm，即W=81+6+6=93 mm。

鏈輪最邊緣齒窩更改，由于本鏈輪設(shè)計(jì)非周圈全齒設(shè)計(jì)，鏈輪最邊緣處鏈條并不是按照周圈鏈輪節(jié)圓切線引出，根據(jù)4組提升機(jī)構(gòu)位置及支架起吊孔相對(duì)關(guān)系，提升支架時(shí)前部鏈條引出切線與節(jié)圓切線角度偏移約20°，因此鏈輪最邊緣內(nèi)側(cè)齒窩槽需適配更改，與鏈輪圓環(huán)扣匹配[10]。

根據(jù)以上分析，將80 t級(jí)支架搬運(yùn)車鏈條的規(guī)格更換為同標(biāo)準(zhǔn)的26 mm×92 mm D級(jí)規(guī)格的鏈條。鏈輪齒進(jìn)行角度適應(yīng)性改進(jìn)，如圖5所示，其模型如圖6所示。將原齒內(nèi)側(cè)窩槽角度由118.3°改制為138.7°，如圖7所示。

圖5 鏈輪設(shè)計(jì)尺寸

圖6 鏈輪更改模型對(duì)比

圖7 鏈輪改制對(duì)比

對(duì)相關(guān)車型出現(xiàn)鏈條損傷的車型，進(jìn)行舉一反三，60 t級(jí)支架搬運(yùn)車因其所選鏈條承載符合使用要求，安全系數(shù)較大，即便使用易于采購(gòu)的C級(jí)常規(guī)鏈條，仍在鏈條額定載荷范圍內(nèi)，其因鏈輪齒窩啃傷程度較低，所以采用的改制方案是改制鏈輪齒內(nèi)側(cè)窩槽的角度。

對(duì)改進(jìn)后鏈輪的強(qiáng)度進(jìn)行分析，采用三維軟件CREO進(jìn)行建模，ABAQUS有限元軟件進(jìn)行強(qiáng)度及變形分析[11]，鏈輪的材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)合金鋼42 CrMn，采用整體調(diào)質(zhì)，局部淬火處理，其屈服強(qiáng)度在950 MPa左右[12]，對(duì)改進(jìn)后的鏈輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，經(jīng)分析，鏈輪最大應(yīng)力為137 MPa，安全系數(shù)為6.9，安全系數(shù)較大。齒部最大變形0.37 mm，變形量較小，因此改進(jìn)后的鏈輪齒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。如圖8、9所示。

圖8 鏈輪應(yīng)力分析

圖9 鏈輪變形分析

對(duì)以上優(yōu)化改進(jìn)措施，在100 t級(jí)、80 t級(jí)、60 t級(jí)支架搬運(yùn)車上進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。根據(jù)不同的鏈條圓環(huán)扣與鏈輪的側(cè)面窩槽配合角度，對(duì)鏈輪內(nèi)側(cè)窩槽角度進(jìn)行相應(yīng)適配性改進(jìn)，同時(shí)嚴(yán)格控制鏈條匹配規(guī)格，分別在3種車型上進(jìn)行驗(yàn)證，有效減少及避免了鏈輪、鏈條的啃傷、斷裂現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證，說(shuō)明優(yōu)化改進(jìn)措施有效。

5 結(jié)論

分析井下重載支架搬運(yùn)車提升鏈條、鏈輪啃傷故障的產(chǎn)生機(jī)理，明確鏈條圓環(huán)扣與鏈輪內(nèi)側(cè)窩槽結(jié)構(gòu)不匹配為其主要原因，鏈條規(guī)格替代不合理為其次要原因，提出提升機(jī)構(gòu)鏈輪的優(yōu)化改進(jìn)措施，優(yōu)化鏈輪結(jié)構(gòu)，并合理匹配鏈條規(guī)格，解決了故障，提高了重載整體式支架搬運(yùn)車提升機(jī)構(gòu)的可靠性，為鏈條鏈輪傳動(dòng)的非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。