孫威偉

（晉能控股煤業(yè)集團煤峪口礦，山西 大同 037000）

引言

隨著我國科技的不斷發(fā)展，煤礦機械的工作效率及自動化程度不斷提升，礦井的開采逐步向著智能化、可視化方向發(fā)展。刮板輸送機作為我國礦井開采重要的運輸設備，其主要是將采煤機截割下的煤塊運輸至地表，可以看出，刮板輸送機的工作性能在一定程度上影響著礦井的正常開采[1-2]。目前我國刮板輸送機為了滿足工作面智能化、大型化的要求逐步向著自動化、重型化的方向邁進，這無疑對刮板輸送機的鏈傳動系統(tǒng)提出不小的要求，刮板輸送機驅(qū)動鏈輪優(yōu)化設計成為了時下熱門的研究課題[3-4]。為了降低驅(qū)動鏈輪的磨損程度，提升刮板輸送機可靠性，通過理論分析結(jié)合數(shù)值模擬對鏈輪進行了優(yōu)化設計，為礦井高效開采提供一定的保障。

1 驅(qū)動系統(tǒng)分析研究

在我國帶式輸送機應用范圍及其廣泛，主要集中在需要長運輸、長轉(zhuǎn)運、負載大的碼頭、農(nóng)業(yè)及礦業(yè)開采等領域。帶式輸送機一般由雙滾筒多電機進行驅(qū)動，從而實現(xiàn)長距離、高負載的要求。刮板輸送機在日常工作過程中，由于載荷的沖擊使得部件發(fā)生破壞，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)其主要的破壞形式為磨損、斷齒及壓潰。磨損是指在鏈輪運行過程中圓環(huán)鏈運行至鏈輪鏈窩的位置時由于壓應力的作用使得接觸表面出現(xiàn)凹坑，出現(xiàn)磨損，此外由于礦井工作環(huán)境較為惡劣使得鏈輪中極易混入砂石、煤粉等堅硬小顆粒，使得鏈輪發(fā)生磨損。

驅(qū)動鏈輪作為刮板輸送機重要的傳動部件，其在運行過程中由于受到不同的沖擊載荷使得圓鏈輪與驅(qū)動鏈輪的磨損加劇，所以為了提升兩者的可靠性，本文利用ANSYS數(shù)值模擬軟件對鏈輪傳動的力學特性進行分析，為后續(xù)的優(yōu)化研究作出一定的參考。

首先進行模型建立，本次模擬以SGB420/17為研究對象，對其進行模型建立，采用ANSYS外接軟件對模型進行繪制，將繪制好的模型進行導入，導入后對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分遵循接觸部位細化分，邊緣部分粗劃分的原則，完成網(wǎng)格劃分后對模型進行主要的力學參數(shù)設置，圓鏈環(huán)選定的23MnCrNiMo主要的力學屬性如下：彈性模量210 GPa，密度為7 860 kg/m3，泊松比為0.25。類似的驅(qū)動鏈輪選定30GrMnTi，其主要的力學參數(shù)如下：彈性模量206 GPa，密度為7 860 kg/m3，泊松比為0.3。完成參數(shù)設定后對模型的接觸進行設置，鏈環(huán)間的接觸設置為摩擦接觸，其中動力、靜力摩擦系數(shù)設定分別為0.3、0.2，鏈條的拉力設定為7.3 kN，模擬的仿真時間為0.1 s，對模型進行模擬研究，模擬結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出，鏈輪的整體應力較小，而在驅(qū)動鏈輪運行過程中，鏈輪的鏈窩部位出現(xiàn)應力集中，應力值明顯較大，在鏈窩側(cè)面與鏈窩底部平面接觸的位置出現(xiàn)應力最大值，最大的應力為270 MPa，剩余部位的應力值較小，對其的分析可以忽略。

圖1 驅(qū)動鏈輪應力分布云圖

2 驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化研究

對不同參數(shù)下的驅(qū)動鏈輪的受力情況進行對比分析優(yōu)化，采用正交的方法進行研究，最終給出最佳的參數(shù)結(jié)構(gòu)，本文選定的正交參數(shù)分別為齒根圓弧的半徑、斷齒的齒厚、鏈窩弧的半徑及齒形圓弧的半徑，四種參數(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 四種參數(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖

試驗的水平表如1所示。

進行正交實驗，實驗的結(jié)果如表2所示。

表2 驅(qū)動鏈輪正交優(yōu)化水平表

從表1中可以看出，四種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的驅(qū)動鏈輪應力最大值不同，為了降低驅(qū)動鏈輪的磨損，所以選定驅(qū)動鏈輪應力最大值中的最小值就是模擬尋找的最佳結(jié)構(gòu)，觀察可知，在實驗組數(shù)為2和7時，兩者的應力最大值為本次正交實驗的最小值，分別為當齒根圓弧半徑為7 mm，短齒厚度46 mm，鏈窩弧半徑24 mm，齒形圓弧半徑28 mm時最大應力值為158.3 MPa，當齒根圓弧半徑為6 mm，短齒厚度44 mm，鏈窩弧半徑24 mm，齒形圓弧半徑30 mm時最大應力值為158.2 MPa，在此結(jié)構(gòu)下驅(qū)動鏈輪的受力最下，發(fā)生磨損故障的幾率最小。同時通過分析四種參數(shù)對驅(qū)動鏈輪的影響大小發(fā)現(xiàn)，齒形圓弧半徑及齒根圓弧半徑對結(jié)構(gòu)整體受力的影響效果要大于其他兩個因素。

表1 驅(qū)動鏈輪正交優(yōu)化水平表

對正交實驗得到的結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬研究，齒根圓弧半徑為7 mm，短齒厚度46 mm，鏈窩弧半徑24 mm，齒形圓弧半徑28 mm，優(yōu)化后的驅(qū)動鏈輪材料、邊界條件、網(wǎng)格等均與優(yōu)化前相似，對比優(yōu)化前后驅(qū)動鏈輪的受力情況如圖2所示。

如圖2可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后出現(xiàn)應力集中部位沒有發(fā)生改變，仍在鏈窩側(cè)面與鏈窩底部平面接觸的位置出現(xiàn)應力最大值，但最大值降低到192 MPa，較優(yōu)化前的270 MPa，降低了78 MPa，降低幅度為28.9%，雖然應力值有了一定幅度的降低，但受力部位應力集中的現(xiàn)象仍沒有得到有效的解決，由于其工作環(huán)境較為惡劣，且刮板輸送機部件較大，更換較為復雜，所以為了提升驅(qū)動鏈輪的工作面年限及工作的可靠性，可以在鏈窩的位置覆蓋一層金屬層，從而提升應力集中部位的磨損程度，達到保證刮板輸送機可靠運行的目的。

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對原有刮板輸送機驅(qū)動系統(tǒng)進行模擬研究，發(fā)現(xiàn)在鏈窩側(cè)面與鏈窩底部平面接觸的位置出現(xiàn)應力集中，應力最大值為270 MPa。

2）對齒根圓弧的半徑、斷齒的齒厚、鏈窩弧的半徑及齒形圓弧的半徑四種參數(shù)進行正交實驗，選定最佳結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案齒根圓弧半徑為7 mm，短齒厚度46 mm，鏈窩弧半徑24 mm，齒形圓弧半徑28 mm。

3）對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行模擬分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后應力最大值為192 MPa，較優(yōu)化前的270 MPa，降低了78 MPa，降低幅度為28.9%。