刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭志偉

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

引言

刮板輸送機(jī)作為煤炭生產(chǎn)運(yùn)行的重要輸送設(shè)備，其主要承擔(dān)著將采煤機(jī)落下的煤炭輸送至帶式輸送機(jī)或者破碎機(jī)中的任務(wù)[1-2]。近年來，綜采工作面出現(xiàn)了大型化、智能化的發(fā)展趨勢，采煤設(shè)備需要進(jìn)一步的優(yōu)化升級，刮板輸送機(jī)的優(yōu)化升級刻不容緩[3-5]。驅(qū)動(dòng)鏈輪作為刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部件，其工作環(huán)境極為惡劣，受力情況極為復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈之間存在較為明顯的磨損問題，嚴(yán)重影響刮板輸送機(jī)的使用壽命[6]。為了進(jìn)一步提升刮板輸送機(jī)的工作可靠性，提高刮板輸送機(jī)的運(yùn)行效率和機(jī)械性能，以某型號刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪為研究對象，開展驅(qū)動(dòng)鏈輪強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)工作具有重要的意義。

1 驅(qū)動(dòng)鏈輪失效形式概述

刮板輸送機(jī)運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，如潮濕、粉塵等，驅(qū)動(dòng)鏈輪與鏈直接存在連續(xù)的相對運(yùn)動(dòng)，致使驅(qū)動(dòng)鏈輪失效的主要形式為磨損及過渡磨損下的斷齒等。驅(qū)動(dòng)鏈輪常見的磨損形式涉及疲勞磨損和磨粒磨損，以疲勞磨損為主，主要產(chǎn)生的原因是圓環(huán)鏈嚙入鏈輪鏈窩時(shí)，會在兩者的接觸位置出現(xiàn)較大應(yīng)力，屬于循環(huán)交變應(yīng)力。在往復(fù)交變的應(yīng)力作用下，驅(qū)動(dòng)鏈輪表面會形成微裂紋，隨著時(shí)間的推移，微裂紋擴(kuò)展直至表面材料脫落形成凹坑，即產(chǎn)生了疲勞磨損。

2 有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

依據(jù)某型號刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪的工程圖紙及現(xiàn)場測繪的尺寸信息，運(yùn)用SolidWorks 軟件建立的驅(qū)動(dòng)輪的三維模型。為了提高仿真計(jì)算的效率，驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈三維模型建立時(shí)忽略了對仿真計(jì)算結(jié)果影響不大的圓角等特征。

2.2 材料屬性設(shè)置

將建立完成的驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈組件三維模型導(dǎo)入ANSYS 仿真計(jì)算軟件進(jìn)行前處理，首先進(jìn)行材料屬性的設(shè)置。圓環(huán)鏈材料牌號為23MnCrNiMo，其力學(xué)性能參數(shù)如下：彈性模量為210 GPa、泊松比為0.25，密度為7 860 kg/m3。驅(qū)動(dòng)鏈輪的材料牌號為30CrMnTi，其力學(xué)性能參數(shù)如下：彈性模量為206GPa、泊松比為0.31，密度為7 860 kg/m3。根據(jù)上述參數(shù)完成驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈組件材料屬性的設(shè)置。

2.3 網(wǎng)格劃分

完成驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈組件材料屬性設(shè)置之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，選擇自由劃分網(wǎng)格功能。為了更好地體現(xiàn)仿真計(jì)算結(jié)果，對輪齒、鏈窩、齒根和圓環(huán)鏈進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化設(shè)置，其中輪齒底面、鏈窩齒形圓側(cè)面和圓環(huán)鏈的單元邊長為3 mm，鏈窩齒根圓側(cè)面的單元邊長為1 mm，其余圓環(huán)鏈與鏈其他位置的單元邊長為10 mm。

2.4 約束設(shè)置

驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈之間接觸為摩擦接觸形式，需要設(shè)置摩擦系數(shù)，接觸面的靜摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3，動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。依據(jù)刮板輸送機(jī)實(shí)際工況，確定圓環(huán)鏈的拉力為7.3 kN，驅(qū)動(dòng)鏈輪的中心孔設(shè)置為固定約束。仿真時(shí)長設(shè)置為0.1 s，子步數(shù)為10，完成上述前處理之后即可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)鏈輪強(qiáng)度的仿真計(jì)算。

2.5 仿真計(jì)算結(jié)果

驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈組件強(qiáng)度仿真計(jì)算使用ANSYS 仿真軟件內(nèi)部自帶的求解器進(jìn)行，待仿真計(jì)算完畢，提取驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈嚙合位置的應(yīng)力分布云圖，如下頁圖1 所示，為了更清晰地觀察驅(qū)動(dòng)鏈輪的應(yīng)力分布情況，將應(yīng)力分布云圖中的圓環(huán)鏈進(jìn)行了隱藏設(shè)置，如圖2 所示。

由圖1 和圖2 仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，驅(qū)動(dòng)鏈輪工作過程中鏈輪鏈窩位置的應(yīng)力數(shù)值最大，最大應(yīng)力為168.89 MPa，存在應(yīng)力集中情況。仔細(xì)觀察驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈窩位置可以發(fā)現(xiàn)，鏈窩底部平面與鏈窩側(cè)面靠近中間立環(huán)槽的部分應(yīng)力最大，驅(qū)動(dòng)鏈輪除此之外的部分應(yīng)力很小，可以忽略不計(jì)。由上述仿真分析結(jié)果可以看出，驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈窩出現(xiàn)疲勞磨損的主要原因是其工作過程中存在應(yīng)力集中，隨著時(shí)間的推移，鏈窩表面材料將會出現(xiàn)疲勞剝落，出現(xiàn)疲勞磨損失效。

圖1 驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈應(yīng)力分布云圖

圖2 驅(qū)動(dòng)鏈輪應(yīng)力分布云圖

3 驅(qū)動(dòng)鏈輪參數(shù)優(yōu)化

為了改善驅(qū)動(dòng)鏈輪的受力狀態(tài)，提高驅(qū)動(dòng)鏈輪的使用壽命和可靠性，需對驅(qū)動(dòng)鏈輪參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)，確定了驅(qū)動(dòng)鏈輪可以優(yōu)化的參數(shù)包括短齒厚度、齒根圓弧半徑、齒形圓弧半徑、鏈窩弧半徑等。結(jié)合驅(qū)動(dòng)鏈輪實(shí)際工作情況及優(yōu)化改進(jìn)的難易程度，此處選擇增加短齒厚度的方法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)鏈輪參數(shù)優(yōu)化，將短齒厚度由原來的45 mm增厚至45.5 mm。

4 優(yōu)化效果評價(jià)

完成驅(qū)動(dòng)鏈輪短齒厚度參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)之后需要驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，運(yùn)用SolidWorks 三維軟件修改驅(qū)動(dòng)鏈輪的模型，之后導(dǎo)入ANSYS 仿真計(jì)算軟件進(jìn)行前處理，要求前處理過程中的設(shè)置參數(shù)數(shù)值與優(yōu)化設(shè)計(jì)之前保持一致，以便更好地分析優(yōu)化改進(jìn)的設(shè)計(jì)效果。完成優(yōu)化驅(qū)動(dòng)鏈輪有限元仿真分析前處理之后即可啟動(dòng)自帶求解器進(jìn)行強(qiáng)度仿真計(jì)算。

4.1 仿真分析

完成優(yōu)化之后驅(qū)動(dòng)鏈輪強(qiáng)度仿真計(jì)算之后提取驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈組件應(yīng)力分布云圖，如圖3 所示，由圖3 可以看出，參數(shù)優(yōu)化之后的驅(qū)動(dòng)鏈輪的最大應(yīng)力依然出現(xiàn)在鏈窩位置，在鏈窩中的應(yīng)力分布與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)之前基本一致，不同的是鏈窩位置的最大應(yīng)力數(shù)值為156.7 MPa。

圖3 優(yōu)化驅(qū)動(dòng)鏈輪應(yīng)力分布云圖

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

通過驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈組件仿真結(jié)果對比可以得出，將驅(qū)動(dòng)鏈輪短齒厚度由原來的45 mm 增厚至45.5 mm 可以降低驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈窩的最大應(yīng)力數(shù)值，優(yōu)化之前的鏈窩位置的最大應(yīng)力數(shù)值為168.89 MPa，優(yōu)化之后鏈窩位置的最大應(yīng)力數(shù)值為156.7 MPa。雖然短齒厚的尺寸僅僅降低約1.1%，但鏈窩位置的最大應(yīng)力卻降低了近7.2%，由此可見，改進(jìn)效果比較明顯。此處僅僅開展了增大短齒厚參數(shù)趨勢下的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，取得了很好的優(yōu)化效果，可以得出增大短齒厚尺寸可以降低驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈窩位置的最大應(yīng)力，有利于提高驅(qū)動(dòng)鏈輪的工作穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)語

刮板輸送機(jī)作為井下綜采工作面內(nèi)煤炭輸送的關(guān)鍵設(shè)備，其工作的可靠性至關(guān)重要。以某型號刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪為研究對象，分析了刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪常見的失效形式，借助ANSYS 仿真計(jì)算軟件，分析了刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪接觸強(qiáng)度，結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈窩位置存在較大的應(yīng)力。通過將短齒厚度由45 mm 增厚至45.5 mm 的方法進(jìn)行了改進(jìn)，仿真計(jì)算結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈窩位置的應(yīng)力降低了近7.2%，提高了刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪運(yùn)行的可靠性。