基于Workbench 的礦用刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈結(jié)構(gòu)特性分析

李 洋 子

（晉煤集團(tuán)澤州天安恒源煤業(yè)有限公司，山西 晉城，048000）

0 引 言

隨著國家的大力發(fā)展，對煤礦的需求量也越來越大，刮板輸送機(jī)作為煤礦開采中的重要設(shè)備，在煤礦中得到了廣泛應(yīng)用。由于井下環(huán)境的惡劣性，加上自身設(shè)備的設(shè)計(jì)問題，刮板輸送機(jī)在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)零部件變形、斷裂損壞、振動幅度較大等問題，而圓環(huán)鏈的故障問題則是導(dǎo)致刮板輸送機(jī)出現(xiàn)故障失效的主要原因之一。因此，有必要對刮板輸送機(jī)中圓環(huán)鏈的結(jié)構(gòu)性能開展研究。

通過對圓環(huán)鏈疲勞強(qiáng)度的主要影響因素進(jìn)行分析，采用PROE 及Workbench 仿真軟件，建立了圓環(huán)鏈的三維模型及有限元仿真模型，開展了圓環(huán)鏈的應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)位移變化仿真分析研究，結(jié)果表明，圓環(huán)鏈在實(shí)際使用過程中，極容易發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)變形、斷裂等故障，并由此提出了圓環(huán)鏈的改進(jìn)建議。該研究對提高圓環(huán)鏈的結(jié)構(gòu)性能及刮板輸送機(jī)的工作效率具有重要意義。

1 圓環(huán)鏈疲勞強(qiáng)度主要影響因素分析

圓環(huán)鏈在使用過程中，其結(jié)構(gòu)尺寸、接觸表面光潔度、井下環(huán)境等均會影響圓環(huán)鏈的疲勞強(qiáng)度，因此，對其疲勞強(qiáng)度影響因素進(jìn)行了分析。

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸影響

圓環(huán)鏈的不同結(jié)構(gòu)尺寸，將對零件的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響。其影響規(guī)律主要表現(xiàn)為：圓環(huán)鏈的結(jié)構(gòu)尺寸越大，其疲勞強(qiáng)度越小，反之，圓環(huán)鏈的結(jié)構(gòu)尺寸越小，其結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度越大，在使用過程中越容易發(fā)生疲勞失效故障現(xiàn)象。因此，根據(jù)其工作環(huán)境，合理確定圓環(huán)鏈的結(jié)構(gòu)尺寸。

1.2 應(yīng)力集中影響

圓環(huán)鏈在產(chǎn)品加工過程中，由于其表面光滑性較低，在表面形了較多細(xì)小的圓孔、倒角等特征，在其使用過程中，會在此些部位形成不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最終出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形。斷裂故障。因此，應(yīng)減小或避免在圓環(huán)鏈上產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2 圓環(huán)鏈模型建立

2.1 三維模型建立

圓環(huán)鏈作為刮板式輸送機(jī)中的重要零件，其較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對保障刮板輸送機(jī)的工作效率至關(guān)重要。因此，根據(jù)圓環(huán)鏈的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，采用PROE 軟件，按照1：1 比例，對圓環(huán)鏈進(jìn)行了三維模型建立。為避免圓環(huán)鏈上焊縫、過渡圓弧等非關(guān)鍵特征對圓環(huán)鏈仿真結(jié)果的影響，在三維模型中對此些特征進(jìn)行了模型簡化，由此，建立了刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈的三維模型，如圖1 所示。

圖1 刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈三維模型

2.2 仿真模型建立

結(jié)合圓環(huán)鏈的工作條件可知，其主要用于刮板輸送機(jī)中低速、重載荷工作條件下，對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐磨性具有較高的要求。因此，結(jié)合其實(shí)際材料特點(diǎn)，在仿真模型中選用了45 號鋼，其材料的主要性能參數(shù)如表1 所示。同時(shí)，采用Workbench 仿真軟件，對圓環(huán)鏈接觸部分進(jìn)行了非線性約束。為清晰的觀察圓環(huán)鏈仿真后的應(yīng)力、應(yīng)變等指標(biāo)的變化情況，選用了四面體網(wǎng)格類型，對圓環(huán)鏈進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為10mm，其網(wǎng)格劃分圖如圖2 所示。最后，通過對圓環(huán)鏈進(jìn)行邊界條件設(shè)置及載荷施加，完成了圓環(huán)鏈仿真模型的建立。

表1 49 號鋼主要性能參數(shù)

圖2 圓環(huán)鏈部分網(wǎng)格劃分圖

3 圓環(huán)鏈仿真結(jié)果分析

結(jié)合建立的刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈仿真模型，從圓環(huán)鏈應(yīng)力、結(jié)構(gòu)位移變化等方面開展了有限元仿真分析研究。

3.1 圓環(huán)鏈應(yīng)力變化分析

通過仿真，得到了圓環(huán)鏈應(yīng)力變化圖，如圖3 所示。由圖可知，圓環(huán)鏈整體呈現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，且在其一端大圓弧內(nèi)側(cè)和外側(cè)均出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，但大圓弧外側(cè)應(yīng)力集中相對較小，而圓弧鏈其他部分的應(yīng)力則幾乎沒變化。分析其原因?yàn)椋簣A環(huán)鏈在工作過程中，由于一端的大圓弧與相連接的圓弧鏈之間存在較大相互拉力，且主要集中在內(nèi)側(cè)圓弧的某一點(diǎn)或較小接觸面上。圓弧鏈在使用過程中極容易在其大圓弧處發(fā)生疲勞失效的故障現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生斷裂故障。因此，需對圓環(huán)鏈大圓弧處進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

圖3 圓環(huán)鏈中部圓環(huán)應(yīng)力變化圖

3.2 圓環(huán)鏈結(jié)構(gòu)位移變化分析

通過仿真，得到了圓環(huán)鏈結(jié)構(gòu)位移變化圖，如圖4 所示。由圖可知，圓環(huán)鏈整體出現(xiàn)了不均勻的結(jié)構(gòu)位移變化，且在圓環(huán)鏈一端的大圓弧處出現(xiàn)了較大的位移變化，并延圓環(huán)鏈的另一端呈逐漸減少的變化趨勢。分析其原因?yàn)椋簣A環(huán)鏈在工作過程中，其一段的大圓弧由于與下一個圓環(huán)鏈之間進(jìn)行了接觸使非線性連接，導(dǎo)致在此處承受著較大的外界作用力，最終使圓環(huán)鏈在此處出現(xiàn)了較大的位移變形。由此可值，圓環(huán)鏈在長期使用過程中，極可能出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)變形、甚至斷裂等故障。這與前文圓環(huán)鏈的應(yīng)力集中位置基本相同。因此，需對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

圖4 圓環(huán)鏈中部圓環(huán)位移變形圖

4 圓環(huán)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)前文對刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈的仿真分析可知，在其一端的大圓弧處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，在實(shí)際使用過程中，極容易發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)變形、斷裂等故障。因此，需對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，具體措施如下：

1）增加圓環(huán)鏈的結(jié)構(gòu)尺寸，以此來增加大圓弧處的圓弧半徑，從而使圓環(huán)鏈之間的接觸面增大，減小接觸位置的作用力集中現(xiàn)象；

2）改進(jìn)圓環(huán)鏈材料屬性，選用強(qiáng)度更高的材料，并對生產(chǎn)后的圓環(huán)鏈進(jìn)行調(diào)質(zhì)、淬火等熱處理，以此來改善其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度；

3）使用過程中，需對接觸處噴涂耐磨材料，同時(shí)，可在兩個圓環(huán)鏈接觸處添加橡膠等減振材料，以來減少外界作用力的影響。

4）刮板輸送機(jī)實(shí)際工作過程中，定期對圓環(huán)鏈?zhǔn)褂们闆r進(jìn)行檢查，針對出現(xiàn)磨損嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)變形量大、有斷裂裂痕的圓環(huán)鏈進(jìn)行及時(shí)維修、更換，以保證刮板輸送機(jī)的正常作業(yè)。

5 結(jié) 論

圓環(huán)鏈作為刮板輸送機(jī)中的關(guān)鍵部件之一，其結(jié)構(gòu)性能的好壞，對刮板輸送機(jī)的正常工作具有重要影響。因此，通過對圓環(huán)鏈疲勞強(qiáng)度的主要影響因素進(jìn)行分析，采用PROE 及Workbench 仿真軟件，建立了圓環(huán)鏈的三維模型及有限元仿真模型，開展了圓環(huán)鏈的應(yīng)力變化、結(jié)構(gòu)位移變化仿真分析研究，結(jié)果表明，圓環(huán)鏈的一端大圓弧處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，在實(shí)際使用過程中，極容易發(fā)生較大的結(jié)構(gòu)變形、斷裂等故障，并由此提出了圓環(huán)鏈的改進(jìn)建議。該研究對提高圓環(huán)鏈的結(jié)構(gòu)性能及刮板輸送機(jī)的工作效率具有重要意義，可為后期開展刮板輸送機(jī)其他部件的結(jié)構(gòu)性能提升具有一定的指導(dǎo)。