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生大量的煤灰或煤石，導致刮板輸送機作業(yè)過程中經常出現(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)結構失效的概率[2]。鏈輪作為刮板輸送機中的關鍵部件，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。有效保證鏈輪的結構強度，降低其結構失效概率，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構強度進行研究。

1 刮板輸送機結構特點分析

目前，市場上的刮板輸送機種類相對較多，但其結構基本相同，主要由機尾、傳動裝置、驅動系統(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)中部槽的結構寬度，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從而帶動鏈條、刮板運動，實現(xiàn)將進入到溜槽內的煤炭從機尾運輸至機頭，最終轉運至轉載機上。刮板輸送機作業(yè)時經常會出現(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?，F(xiàn)象均會嚴重影響設備的正常開采。

圖1 刮板輸送機結構圖

鏈輪在作業(yè)時也經常會出現(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過程中未按標準的生產工藝進行生產，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[6]。同時，對鏈輪中的較小非關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 鏈輪結構分析模型建立

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，其材料的關鍵性能參數(shù)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(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構強度分析。

表1 Q235材料主要性能參數(shù)

3 鏈輪結構性能分析

為找到鏈輪的結構性能，在其中部軸孔上施加了400 kN·m和500 kN·m的旋轉扭矩，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構性能變化規(guī)律。

3.1 工況一下鏈輪結構性能分析

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，鏈輪整體結構出現(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構的薄弱部位，由于鏈輪作業(yè)時經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)結構失效現(xiàn)象，需對其進行結構加強優(yōu)化。

圖4 鏈輪應力（MPa）變化圖

圖5 鏈輪結構變形（mm）圖

圖5為鏈輪在此工況下的位移變化圖。由圖可知，鏈輪整體結構出現(xiàn)了不同程度的結構位移變化，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，若鏈輪輪齒頂部結構強度不足，在較大的外界載荷下極容易出現(xiàn)結構斷裂現(xiàn)象，需對此進行結構優(yōu)化升級。

3.2 工況二下鏈輪結構性能分析

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，有必要對其進行結構優(yōu)化改進。

圖7為鏈輪在此工況下的結構位移變化圖。由圖可知，鏈輪整體結構呈現(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 鏈輪的結構優(yōu)化改進

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

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鏈輪結構變形（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(yè)時自身結構的維護保養(yǎng)，當發(fā)生鏈輪出現(xiàn)結構開裂、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)更大結構失效現(xiàn)象。

5 結論

1）由仿真分析結果可知，鏈輪的輪齒根部及齒頂嚙合區(qū)域為整個結構的薄弱部位，雖分析結果值在材料的屈服強度范圍內，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)生結構變形或斷裂失效現(xiàn)象。

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