張 浩

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司， 山西 沁水 048214）

引言

由于煤礦井下環(huán)境惡劣，經(jīng)常會(huì)有煤石掉落，煤灰聚集，通風(fēng)效果較差，刮板輸送機(jī)作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，常處于超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了電機(jī)燒壞、鏈輪上鏈齒斷裂、鏈條斷裂、結(jié)構(gòu)變形等失效現(xiàn)象，一旦此類事故發(fā)生，將直接導(dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)煤礦的開采量及現(xiàn)場作業(yè)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，因此保證其高效運(yùn)行至關(guān)重要[1-2]。

為此，在分析SGZ1250 型刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，采用有限元分析方法，重點(diǎn)對(duì)設(shè)備中的鏈輪與鏈條嚙合過程進(jìn)行了分析研究，找到了鏈輪與鏈條的結(jié)構(gòu)薄弱部位，由此對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)及實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。改進(jìn)后結(jié)構(gòu)達(dá)到了預(yù)期效果，這對(duì)提高鏈輪與鏈條結(jié)構(gòu)性能及使用壽命具有重要意義。

1 刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

刮板輸送機(jī)在煤礦生產(chǎn)中主要與采煤機(jī)、帶式輸送機(jī)機(jī)液壓支架等設(shè)備進(jìn)行匹配使用，負(fù)責(zé)對(duì)所開采煤炭的運(yùn)輸及設(shè)備的移動(dòng)運(yùn)行等任務(wù)[3]。以SGZ1250 型刮板輸送機(jī)為分析對(duì)象，其結(jié)構(gòu)主要包括了機(jī)頭、機(jī)尾、中間部、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、支架、推移裝置及輔助組件等部件[4]。其中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則包括了傳動(dòng)裝置、鏈輪組、盲軸及機(jī)尾架等組成。其中，鏈輪及鏈條環(huán)則是整個(gè)結(jié)構(gòu)中的重要部件，鏈條環(huán)則主要由平鏈和立鏈組成，在運(yùn)行過程中主要通過兩部件的相互嚙合來實(shí)現(xiàn)鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于嚙合過程中出現(xiàn)了不同程度的沖擊及脈沖負(fù)荷作用，導(dǎo)致鏈輪使用過程中出現(xiàn)了一定程度的結(jié)構(gòu)變形、鏈輪磨損嚴(yán)重、鏈齒開裂或斷裂、鏈條環(huán)斷裂等失效現(xiàn)象。一旦鏈輪及鏈條環(huán)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效，將可能使得刮板輸送機(jī)出現(xiàn)設(shè)備停機(jī)維修及其他安全事故，嚴(yán)重影響現(xiàn)場作業(yè)安全。因此采用當(dāng)前成熟的分析技術(shù)對(duì)零件結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究，成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)任務(wù)。

2 鏈輪與鏈條環(huán)嚙合模型建立

2.1 三維模型建立

根據(jù)刮板輸送機(jī)中鏈輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，其結(jié)構(gòu)采用的圓弧線輪廓設(shè)計(jì)，在與鏈條嚙合處是整個(gè)結(jié)構(gòu)的主要受力部位。因此，結(jié)合SGZ1250 型刮板輸送機(jī)中鏈輪尺寸，對(duì)其進(jìn)行了三維模型建立[5]。其中，鏈輪的齒數(shù)確定為7 個(gè)，鏈輪節(jié)圓直徑為600 mm，鏈輪外徑為780 mm，輪齒厚度為160 mm。另外，鏈條環(huán)的節(jié)距設(shè)置為150 mm，直徑為48 mm，外寬為150 mm。按照1∶1 的模型比例，對(duì)其進(jìn)行了模型建立。另外，在建模過程中，為提高模型的仿真速度及精度，對(duì)模型中的圓弧過渡、圓角、較小圓孔進(jìn)行了模型簡化，僅保留了模型的關(guān)鍵部位。所建立的鏈輪與鏈條環(huán)三維模型如圖1 和下頁圖2 所示。

圖1 鏈輪三維模型圖

圖2 鏈條環(huán)三維模型圖

2.2 仿真模型建立

將所建立的三維模型保存為x-t 格式后，導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，對(duì)其進(jìn)行了仿真模型建立。根據(jù)鏈輪與鏈條環(huán)的實(shí)際使用材料特點(diǎn)，在軟件中將其材料設(shè)置為了35CrMo，其材料的屈服強(qiáng)度為835 MPa[6]，其他關(guān)鍵參數(shù)如下頁表1 所示。通過在軟件中賦予屬性，完成了鏈輪與鏈條環(huán)的材料設(shè)置。同時(shí)，根據(jù)鏈輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了solid 實(shí)體單元類型，對(duì)其進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，所生成的網(wǎng)格單元個(gè)數(shù)有44 625 個(gè)。另外，在軟件中對(duì)鏈條的中部進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)約束，鏈輪與鏈條進(jìn)行了接觸約束，鏈輪切向方向設(shè)置為自由度約束，并在切向方面施加320 kN 的拉力。鏈輪與鏈條環(huán)的網(wǎng)格劃分圖如圖3 所示。

表1 35CrMo 材料關(guān)鍵參數(shù)

圖3 鏈輪與鏈條環(huán)的網(wǎng)格劃分圖

3 嚙合性能分析

3.1 嚙合過程中應(yīng)力變化分析

通過仿真分析，得到了鏈輪與鏈條在嚙合過程中的應(yīng)力變化圖。由圖4 可知，鏈輪與鏈條整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在鏈輪的鏈窩區(qū)域、鏈條的直線段及彎曲段均發(fā)生了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達(dá)到了845.99 MPa，集中在鏈輪與鏈條接觸處，超過了其材料的屈服強(qiáng)度835 MPa。鏈輪與鏈條的其他區(qū)域應(yīng)力值則相對(duì)較小。出現(xiàn)此原因?yàn)樵阪溳喌那邢蚍较蚴艿角邢蚍较虻睦ψ饔?，整體結(jié)構(gòu)由于旋轉(zhuǎn)力矩作用而出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。由此可知，鏈輪與鏈條的接觸區(qū)域及鏈條的直線段是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在使用時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

圖4 鏈輪與鏈條嚙合過程應(yīng)力變化圖

3.2 結(jié)構(gòu)位移變化分析

經(jīng)過仿真分析，得到了鏈輪與鏈條的結(jié)構(gòu)位移變化圖，如圖5 所示。由圖可知，鏈輪與鏈條整體結(jié)構(gòu)發(fā)生了較為明顯的結(jié)構(gòu)位移變化，鏈輪的鏈窩區(qū)域、鏈條直線段及鏈條彎曲等部位也出現(xiàn)了較大結(jié)構(gòu)變形，最大變形量達(dá)到了13.348 mm，鏈輪上的鏈齒變形量也相對(duì)較大。同時(shí)，由鏈輪中心向鏈齒方向，變形量呈現(xiàn)逐漸變大趨勢。出現(xiàn)此原因?yàn)殒溳喞@中心軸旋轉(zhuǎn)，鏈輪外徑端受到了更大的偏心載荷及旋轉(zhuǎn)力矩，致使此區(qū)域的變形量相對(duì)更大。由此可知，鏈輪的鏈窩及與鏈條直線段在嚙合過程中會(huì)率先發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，一旦出現(xiàn)較大幅度的結(jié)構(gòu)變形，極可能使得鏈條出現(xiàn)跳齒及掉落故障，嚴(yán)重影響刮板輸送機(jī)的作業(yè)安全。

圖5 鏈輪與鏈條嚙合時(shí)結(jié)構(gòu)位移變化圖

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)前文分析研究可知，鏈輪與鏈條在嚙合過程中，鏈輪的鏈窩、鏈齒及鏈條直線段等區(qū)域是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，一旦此些區(qū)域率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，將直接影響設(shè)備的嚙合性能及作業(yè)效率。為此，從多個(gè)方面開展了鏈輪與鏈條的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

1）在完成鏈輪的設(shè)計(jì)生產(chǎn)后，對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)淬火處理，以提高鏈輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

2）增加鏈輪的厚度4 mm，直徑增加5 mm，同時(shí)，對(duì)鏈輪上齒根與鏈齒的過渡連接處進(jìn)行圓弧過渡設(shè)計(jì)，降低連接處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

3）在完成鏈條的加工生產(chǎn)后，對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)淬火處理，并增加鏈條的直徑2 mm，保證鏈條具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

4）鏈輪與鏈條接觸區(qū)域增加其潤滑性能，減少接觸摩擦損耗。

采用以上方法進(jìn)行鏈輪與鏈條的結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，將其安裝在刮板輸送機(jī)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用效果測試，結(jié)果表明：改進(jìn)后的鏈輪與鏈條具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯增加，變形量也降低，在其運(yùn)動(dòng)過程中具有更加穩(wěn)定的嚙合性能，運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，達(dá)到了優(yōu)化改進(jìn)效果。

5 結(jié)語

鏈輪與鏈條作為刮板輸送機(jī)中的關(guān)鍵零件，也是易損件，采用更加先進(jìn)的分析方法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究，已成為當(dāng)前重要的研究及發(fā)展方向。為此，采用了市場上成熟的有限元分析方法，從應(yīng)力變化及位移變化等方面對(duì)鏈輪與鏈條的嚙合過程及性能進(jìn)行了分析研究，得出鏈輪的鏈窩、鏈條直線段及彎曲段等均是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位；從材料、結(jié)構(gòu)尺寸等方面對(duì)鏈輪與鏈條進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了改進(jìn)后新結(jié)構(gòu)具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及運(yùn)行穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期效果。此研究對(duì)提高鏈輪與鏈條的結(jié)構(gòu)性能、保證設(shè)備的高效運(yùn)行具有重要意義。