刮板輸送機運行時鏈輪與鏈條的嚙合過程分析

張 浩

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

引言

由于煤礦井下環(huán)境惡劣，經(jīng)常會有煤石掉落，煤灰聚集，通風效果較差，刮板輸送機作為煤礦開采中的關鍵設備，常處于超負荷運行，導致設備在運行時出現(xiàn)了電機燒壞、鏈輪上鏈齒斷裂、鏈條斷裂、結(jié)構變形等失效現(xiàn)象，一旦此類事故發(fā)生，將直接導致設備無法正常運轉(zhuǎn)，對煤礦的開采量及現(xiàn)場作業(yè)安全構成了嚴重威脅，因此保證其高效運行至關重要[1-2]。

為此，在分析SGZ1250 型刮板輸送機結(jié)構特點基礎上，采用有限元分析方法，重點對設備中的鏈輪與鏈條嚙合過程進行了分析研究，找到了鏈輪與鏈條的結(jié)構薄弱部位，由此對其結(jié)構進行了優(yōu)化改進及實際應用驗證。改進后結(jié)構達到了預期效果，這對提高鏈輪與鏈條結(jié)構性能及使用壽命具有重要意義。

1 刮板輸送機結(jié)構特點分析

刮板輸送機在煤礦生產(chǎn)中主要與采煤機、帶式輸送機機液壓支架等設備進行匹配使用，負責對所開采煤炭的運輸及設備的移動運行等任務[3]。以SGZ1250 型刮板輸送機為分析對象，其結(jié)構主要包括了機頭、機尾、中間部、驅(qū)動系統(tǒng)、支架、推移裝置及輔助組件等部件[4]。其中，驅(qū)動系統(tǒng)則包括了傳動裝置、鏈輪組、盲軸及機尾架等組成。其中，鏈輪及鏈條環(huán)則是整個結(jié)構中的重要部件，鏈條環(huán)則主要由平鏈和立鏈組成，在運行過程中主要通過兩部件的相互嚙合來實現(xiàn)鏈輪的轉(zhuǎn)動，但由于嚙合過程中出現(xiàn)了不同程度的沖擊及脈沖負荷作用，導致鏈輪使用過程中出現(xiàn)了一定程度的結(jié)構變形、鏈輪磨損嚴重、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)構失效，將可能使得刮板輸送機出現(xiàn)設備停機維修及其他安全事故，嚴重影響現(xiàn)場作業(yè)安全。因此采用當前成熟的分析技術對零件結(jié)構性能進行分析研究，成為當前研究的重點任務。

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)刮板輸送機中鏈輪的結(jié)構特點可知，其結(jié)構采用的圓弧線輪廓設計，在與鏈條嚙合處是整個結(jié)構的主要受力部位。因此，結(jié)合SGZ1250 型刮板輸送機中鏈輪尺寸，對其進行了三維模型建立[5]。其中，鏈輪的齒數(shù)確定為7 個，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)距設置為150 mm，直徑為48 mm，外寬為150 mm。按照1∶1 的模型比例，對其進行了模型建立。另外，在建模過程中，為提高模型的仿真速度及精度，對模型中的圓弧過渡、圓角、較小圓孔進行了模型簡化，僅保留了模型的關鍵部位。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，導入至ABAQUS 軟件中，對其進行了仿真模型建立。根據(jù)鏈輪與鏈條環(huán)的實際使用材料特點，在軟件中將其材料設置為了35CrMo，其材料的屈服強度為835 MPa[6]，其他關鍵參數(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)的材料設置。同時，根據(jù)鏈輪的結(jié)構特點，采用了solid 實體單元類型，對其進行了四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設置為10 mm，所生成的網(wǎng)格單元個數(shù)有44 625 個。另外，在軟件中對鏈條的中部進行了旋轉(zhuǎn)約束，鏈輪與鏈條進行了接觸約束，鏈輪切向方向設置為自由度約束，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力變化圖。由圖4 可知，鏈輪與鏈條整體結(jié)構出現(xiàn)了一定程度的應力集中現(xiàn)象，在鏈輪的鏈窩區(qū)域、鏈條的直線段及彎曲段均發(fā)生了不同程度的應力集中現(xiàn)象，最大應力值達到了845.99 MPa，集中在鏈輪與鏈條接觸處，超過了其材料的屈服強度835 MPa。鏈輪與鏈條的其他區(qū)域應力值則相對較小。出現(xiàn)此原因為在鏈輪的切向方向受到切向方向的拉力作用，整體結(jié)構由于旋轉(zhuǎn)力矩作用而出現(xiàn)了應力集中現(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結(jié)構的薄弱部位，在使用時應重點關注。

圖4 鏈輪與鏈條嚙合過程應力變化圖

3.2 結(jié)構位移變化分析

經(jīng)過仿真分析，得到了鏈輪與鏈條的結(jié)構位移變化圖，如圖5 所示。由圖可知，鏈輪與鏈條整體結(jié)構發(fā)生了較為明顯的結(jié)構位移變化，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)構變形，最大變形量達到了13.348 mm，鏈輪上的鏈齒變形量也相對較大。同時，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)此原因為鏈輪繞中心軸旋轉(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率先發(fā)生結(jié)構變形，是整個結(jié)構的薄弱部位，一旦出現(xiàn)較大幅度的結(jié)構變形，極可能使得鏈條出現(xiàn)跳齒及掉落故障，嚴重影響刮板輸送機的作業(yè)安全。

圖5 鏈輪與鏈條嚙合時結(jié)構位移變化圖

4 結(jié)構優(yōu)化改進

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)域是整個結(jié)構的薄弱部位，一旦此些區(qū)域率先發(fā)生結(jié)構失效，將直接影響設備的嚙合性能及作業(yè)效率。為此，從多個方面開展了鏈輪與鏈條的結(jié)構優(yōu)化改進。

1）在完成鏈輪的設計生產(chǎn)后，對其進行調(diào)質(zhì)淬火處理，以提高鏈輪的結(jié)構強度；

2）增加鏈輪的厚度4 mm，直徑增加5 mm，同時，對鏈輪上齒根與鏈齒的過渡連接處進行圓弧過渡設計，降低連接處的應力集中現(xiàn)象，提高其結(jié)構強度；

3）在完成鏈條的加工生產(chǎn)后，對其進行調(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)構強度；

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。

采用以上方法進行鏈輪與鏈條的結(jié)構優(yōu)化后，將其安裝在刮板輸送機中進行了實際應用效果測試，結(jié)果表明：改進后的鏈輪與鏈條具有更高的結(jié)構強度，整體結(jié)構強度明顯增加，變形量也降低，在其運動過程中具有更加穩(wěn)定的嚙合性能，運行更加穩(wěn)定可靠，達到了優(yōu)化改進效果。

5 結(jié)語

鏈輪與鏈條作為刮板輸送機中的關鍵零件，也是易損件，采用更加先進的分析方法對其進行結(jié)構性能研究，已成為當前重要的研究及發(fā)展方向。為此，采用了市場上成熟的有限元分析方法，從應力變化及位移變化等方面對鏈輪與鏈條的嚙合過程及性能進行了分析研究，得出鏈輪的鏈窩、鏈條直線段及彎曲段等均是整個結(jié)構的薄弱部位；從材料、結(jié)構尺寸等方面對鏈輪與鏈條進行了優(yōu)化改進設計，通過實際應用，驗證了改進后新結(jié)構具有更高的結(jié)構強度及運行穩(wěn)定性，達到了預期效果。此研究對提高鏈輪與鏈條的結(jié)構性能、保證設備的高效運行具有重要意義。