趙海濤

（山西潞安集團(tuán)蒲縣黑龍煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041204）

引言

刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，輸送機(jī)由鏈條驅(qū)動(dòng)，由刮板在槽內(nèi)直接輸送散料，在鏈條的帶動(dòng)下可以連續(xù)運(yùn)行，極大地提高了煤炭運(yùn)輸效率。輸送機(jī)不僅僅用于煤炭開采現(xiàn)場(chǎng)物料的運(yùn)輸，同時(shí)也是掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行的輔助軌道。鏈條作為輸送機(jī)的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，特別是在重載工況下容易產(chǎn)生破損，對(duì)生產(chǎn)安全的影響巨大。

由于企業(yè)產(chǎn)能的擴(kuò)大，刮板運(yùn)輸機(jī)也朝著長(zhǎng)距離、重型化方向發(fā)展，這對(duì)刮板輸送機(jī)的可靠性提出了更高的要求。因此確保刮板輸送機(jī)鏈條的可靠性意義重大，鏈條在實(shí)際使用過程中容易發(fā)生疲勞斷裂，特別是分析鏈條與鏈輪嚙合特征?；谟邢拊纠碚?，分析鏈條在重載工況下應(yīng)力應(yīng)變情況；應(yīng)用S-N 曲線，預(yù)測(cè)鏈條的使用壽命；分析對(duì)提高鏈條的可靠性以及使用壽命具有重要意義[1]。

1 常見刮板輸送機(jī)故障形式

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，對(duì)近十幾年來(lái)礦用刮板輸送機(jī)故障特征統(tǒng)計(jì)分析可知，刮板運(yùn)輸機(jī)發(fā)生故障的大部分原因是由于鏈輪與鏈條的故障。并且由于輸送機(jī)所處工作環(huán)境惡劣，使用工況復(fù)雜，且使用頻次高，工作強(qiáng)度大，由此導(dǎo)致鏈條與鏈輪的故障。鏈條與鏈輪之間載荷工況復(fù)雜，受外力作用影響鏈條與鏈輪之間產(chǎn)生接觸、摩擦、碰撞等作用力，在分析時(shí)需要格外注意。下面對(duì)刮板輸送機(jī)常見的故障類型做簡(jiǎn)要分析[2]：

1.1 鏈輪故障

鏈輪故障的形式較多，常見如鏈條與鏈輪潤(rùn)滑不充分，是鏈輪故障的最重要的原因；其次是鏈輪軸承失效，導(dǎo)致輸送機(jī)故障；最后是鏈輪密封圈失效，導(dǎo)致鏈輪組件故障。

1.2 鏈條故障分析

一般鏈條的故障特征有底鏈卡滯、圓環(huán)鏈斷裂等，鏈條在使用過程中預(yù)應(yīng)力不足也容易導(dǎo)致故障。圓環(huán)的失效主要是因?yàn)樵谏a(chǎn)制造過程中存在潛在的缺陷，鏈條在工作狀態(tài)中磨損較多，當(dāng)潤(rùn)滑不足時(shí)，鏈條極易出現(xiàn)故障[3-4]。

1.3 刮板故障

刮板的故障主要是因?yàn)閴簵l變形或斷裂，導(dǎo)致刮板不能正常工作，在疲勞載荷的作用下刮板發(fā)生變形或斷裂，從而導(dǎo)致刮板輸送機(jī)的故障。

2 分析模型的建立

2.1 三維模型的建立

刮板輸送機(jī)是井下綜采工作面重要的運(yùn)輸設(shè)備，具有運(yùn)力大、效率高等特點(diǎn)，在刮板輸送機(jī)工作過程中，鏈條作為重要的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)保障設(shè)備的運(yùn)行具有重要作用。鏈條驅(qū)動(dòng)刮板不斷地將煤炭輸送出去。以輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈條為研究對(duì)象，首先建立驅(qū)動(dòng)鏈條的三維模型。

鏈條在多邊形效應(yīng)作用下，會(huì)產(chǎn)生周期性的跳動(dòng)，由此在鏈條的結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生周期性波動(dòng)的疲勞載荷，從而導(dǎo)致鏈條發(fā)生疲勞斷裂。為了研究鏈條失效的機(jī)理，建立仿真模型與工程實(shí)際相對(duì)比，來(lái)分析鏈條失效特點(diǎn)[5]。

仿真分析中很難建立一個(gè)完整的刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，鏈條之間的受力特征相似，可以建立一個(gè)簡(jiǎn)化系統(tǒng)，選擇三鏈環(huán)為研究對(duì)象，鏈條模型如下頁(yè)圖1 所示，圓環(huán)規(guī)格為Φ34×126。模型兩側(cè)為平環(huán)，中間為立環(huán)，圓環(huán)材料為23MnNiCrMo。鏈環(huán)的材料屬性中，屈服極限為930 MPa，泊松比為0.25，剪切模量為5.6×10-4GPa，楊氏彈性模量為210.9 GPa，密度為7.86×103kg/m3，在有限元分析軟件中設(shè)置好材料參數(shù)[6]。

圖1 鏈條三維模型

2.2 載荷與邊界條件

根據(jù)圓環(huán)鏈條疲勞實(shí)驗(yàn)的極限應(yīng)力國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12718—2009 查得，該規(guī)格的圓環(huán)鏈條疲勞實(shí)驗(yàn)的最大最小拉力分別是585 kN 與75 kN。在鏈條上施加在最大與最小拉力之間的脈動(dòng)循環(huán)載荷，載荷的幅值變化規(guī)律為正弦曲線變化規(guī)律。鏈條的一段固定約束，不同鏈環(huán)之間設(shè)置接觸約束，鏈條拉力作用于鏈條另一端，拉力為交變載荷。

2.3 網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格劃分時(shí)采取四面體網(wǎng)格，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化以提高有限元分析的精度，設(shè)置網(wǎng)格參考尺寸為2 mm，鏈條與鏈輪接觸位置網(wǎng)格細(xì)化處理，并設(shè)置表面接觸。

3 圓環(huán)鏈的疲勞分析

根據(jù)鏈條的分析結(jié)果，提取了圓環(huán)鏈的最大應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)果，并模擬計(jì)算了圓環(huán)鏈的疲勞壽命。如圖2 所示，為鏈環(huán)1 的最大等效應(yīng)力云圖，在鏈環(huán)1與鏈環(huán)3 相接觸的地方產(chǎn)生了最大應(yīng)力，最大應(yīng)力值為999.35 MPa，而圓環(huán)的材料屈服強(qiáng)度為920 MPa，由此可能在圓環(huán)鏈應(yīng)力比較集中的區(qū)域產(chǎn)生塑性變形。鏈條在循環(huán)疲勞載荷的作用下，容易產(chǎn)生疲勞斷裂，從而導(dǎo)致鏈環(huán)產(chǎn)生裂紋發(fā)生斷裂，嚴(yán)重影響到鏈條的使用壽命。

圖2 鏈環(huán)應(yīng)力分布情況

如圖3 所示，為鏈環(huán)應(yīng)變分布結(jié)果，圓環(huán)兩端與其他鏈環(huán)相接觸的區(qū)域應(yīng)變較大，在鏈條彎臂外側(cè)同樣存在較大的應(yīng)變。從圖中可以看出鏈環(huán)的連接處最大應(yīng)變值達(dá)到了2.83×10-3，應(yīng)變較大的區(qū)域容易萌生疲勞裂紋。

圖3 鏈環(huán)應(yīng)變分布情況

如圖4 所示為圓環(huán)鏈疲勞壽命分析云圖，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知圓環(huán)鏈直線段與圓弧過渡段相接觸的區(qū)域疲勞壽命較短，該區(qū)域的交變應(yīng)力幅值為524.61 MPa，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，鏈條的斷裂大部分情況發(fā)生在直線段與圓弧段過渡的區(qū)域。鏈環(huán)1 與鏈環(huán)3 相接觸的區(qū)域疲勞壽命為261.5～1 146.8 次循環(huán)，但由于鏈條之間的接觸面積較小，因此接觸區(qū)域也容易對(duì)圓環(huán)鏈的正常工作造成重要影響。

圖4 鏈環(huán)壽命云圖

4 圓環(huán)鏈疲勞斷裂金相組織分析

為了研究鏈條斷裂的機(jī)理，結(jié)合仿真分析的結(jié)果，構(gòu)建圓環(huán)鏈的實(shí)物破壞實(shí)現(xiàn)分析，如圖5 所示為圓環(huán)鏈斷裂的實(shí)物圖，試件斷裂的位置為直線段與圓弧過渡段的銜接位置。根據(jù)試件斷口的形式，可以明顯觀察到斷口處疲勞源、疲勞區(qū)、瞬斷區(qū)之間的差異，分析圓環(huán)鏈金相組織，斷口的形貌特征為典型的疲勞斷裂形貌特征，由于微小裂紋在疲勞載荷以及銹蝕的共同作用下，產(chǎn)生疲勞斷裂，與圓環(huán)鏈仿真分析的結(jié)果基本一致。

圖5 鏈條斷裂斷口形狀

5 結(jié)語(yǔ)

鏈條是刮板輸送機(jī)重要的傳動(dòng)部件，鏈環(huán)的可靠性對(duì)設(shè)備整機(jī)的使用壽命具有重要影響，因此基于有限元分析方法對(duì)圓環(huán)鏈的力學(xué)特性進(jìn)行分析，并結(jié)合圓環(huán)鏈疲勞斷裂試驗(yàn)分析圓環(huán)斷裂特征。根據(jù)Workbench 仿真分析結(jié)果，圓環(huán)鏈應(yīng)力最大和壽命最小的區(qū)域在鏈環(huán)之間相互接觸的區(qū)域，而最大應(yīng)變值出現(xiàn)在鏈環(huán)的彎臂與直臂相接觸的位置。結(jié)合圓環(huán)鏈疲勞斷裂的試驗(yàn)結(jié)果，證明圓環(huán)彎臂的圓弧內(nèi)側(cè)是鏈環(huán)的薄弱環(huán)節(jié)，容易產(chǎn)生疲勞斷裂。