張鵬舉

（陽泉煤業(yè)（集團）有限責任公司一礦，山西 陽泉045000）

引言

礦用刮板輸送機作為煤礦運輸?shù)年P鍵設備，由于其經常會因使用環(huán)境的惡劣、超負載運行以及超長時間作業(yè)而出現(xiàn)鏈輪、鏈條打滑、開裂及斷裂、電機燒壞等現(xiàn)象。由于鏈輪是刮板機上的關鍵部件，優(yōu)化其結構性能，減少其結構的故障失效現(xiàn)象，對提高設備的工作效率和煤礦產量至關重要[1]。因此，結合當前先進的有限元分析技術，通過理論分析方法，對SGZ800/800型刮板輸送機上鏈輪的結構性能分析研究。

1 鏈輪常見失效形式分析

礦用刮板輸送機結構主要由機頭、機尾、動力部、尾部過渡槽、墊架等部件組成，通過各部件的相互配合，可實現(xiàn)對采煤工作面中煤礦的運輸、裝載、卸載等操作，實現(xiàn)對煤礦的清理及運輸作用。傳動方向為：通過液力耦合器和減速器的相互配合，將動力傳遞至鏈輪組合件上，由此帶動刮板鏈進行循環(huán)往復的運轉作用[2]。

鏈輪作為刮板輸送機上的關鍵部件，在其工作運轉過程中，經常會出現(xiàn)磨損嚴重、輪齒壓潰、輪齒開裂或斷裂等失效現(xiàn)象。其中，鏈輪的磨損主要是鏈輪表面的疲勞磨損和磨粒磨損，由于鏈輪在運轉過程中，會受到較大的外部接觸壓力，并作用在鏈輪的表面，隨著循環(huán)力的不斷深入，裂紋將逐步向鏈輪內部進行移動，最終使得零件表面發(fā)生凹坑現(xiàn)象，形成了鏈輪的疲勞磨損失效。磨粒磨損則主要是由于外部的較多雜質夾雜在鏈輪與鏈條的受力接觸面中，雜質被擠到鏈窩表面內，在較大的外界拉力作用下，會使得接觸面發(fā)生較大的相互摩擦作用，最終造成鏈輪出現(xiàn)磨粒磨損失效現(xiàn)象[3]。另外，鏈輪的壓潰失效主要是由于鏈輪在生產過程中未按標準的生產工藝進行生產，省略了必要的工序，或選用了不合格材料等引起，加上鏈輪長時間受到較大的載荷作用，特別是設備的過載啟動瞬間，導致鏈輪發(fā)生了不同程度的塑形變形現(xiàn)象，進而使鏈輪出現(xiàn)了穩(wěn)定磨損現(xiàn)象[4]。鏈輪的失效圖如圖1所示。

圖1 鏈輪斷裂失效圖

2 鏈輪與鏈條模型建立

2.1 鏈輪與鏈條接觸模型建立

結合SGZ800/800型刮板輸送機的零部件特點，采用SolidWorks軟件，對設備中的鏈輪和鏈條進行了三維模型建立。經查閱資料，可知鏈輪的外徑為253 mm，力環(huán)槽直徑為164 mm，齒厚為46 mm，齒數(shù)為7，鏈輪關鍵尺寸如下頁表1所示，鏈條為標準成熟件，其尺寸與鏈輪輪齒相匹配。為減少鏈輪和鏈條上非關鍵圓弧及過渡圓角對整個結果的分析精度，提高仿真結果的準確性，在模型建立過程中，對鏈輪和鏈條進行了模型簡化，僅保留了零件上的關鍵特征，并對鏈輪上的定位銷孔也進行了特征簡化，由此，完成了刮板輸送機鏈輪與鏈條的三維模型，如下頁圖2所示。

2.2 模型材料確定

經查閱資料，鏈條采用的是23MnCrNiMo材料，鏈輪采用的是30GrMnTi材料，兩種零件具有相近的材料性能[5]，其主要性能參數(shù)如下頁表2所示。采用此材料在使用過程中會產生一定程度的彈性形變，零件之間的磨損程度會相對較小。故在模型建立過程中，將對兩種零件進行此種材料設置。

表1 鏈輪關鍵尺寸表

圖2 鏈輪與鏈條三維模型圖

表2 鏈輪和鏈條材料主要性能參數(shù)

2.3 仿真模型建立

結合建立的鏈輪與鏈條三維模型，將其倒入ABAQUS軟件中，進行了仿真模型建立。在軟件中，采用了布爾運行，對模型進行了切割劃分，并對模型進行了四面體網格自動切割，網格大小設置為12 mm。由于鏈窩、輪齒、圓環(huán)鏈等接觸部位為受力關鍵部位，故對其進行了網格加密處理，網格大小設置為5 mm。鏈輪與鏈條的網格劃分圖如圖3所示。由于鏈輪與鏈條之間存在一定摩擦接觸，在軟件中設置了靜摩擦系數(shù)為0.3，動摩擦系數(shù)0.2，并將鏈條上的拉力設置為8 kN，仿真時間為0.12 s，鍵槽處設置為固定約束。由此，完成了鏈輪與鏈條的仿真模型建立。

圖3 鏈輪與鏈條網格劃分圖

3 結構應力分析

結合建立的鏈輪與鏈條仿真模型，得到了其結構應力變化圖，如圖4所示。由圖可知，鏈輪與鏈條在受力過程中出現(xiàn)了不同程度的結構應力集中現(xiàn)象。由于本文研究的重點為鏈輪，故隱藏了鏈條結構，得到鏈輪的鏈窩部位出現(xiàn)了較大的應力集中現(xiàn)象，在鏈窩與鏈條接觸的內側面和鏈輪底部的中間立環(huán)槽部位的應力值則相對最大，最大應力達到270 MPa，其他部位的應力值則相對較小。鏈輪在時間的較大外界作用力情況下，極容易率先在鏈窩內側面出現(xiàn)結構開裂或斷裂現(xiàn)象，此部位成為整個結構的薄弱部位，一旦出現(xiàn)失效現(xiàn)象，將極容易造成設備的停機檢修，給設備及工作環(huán)境的作業(yè)安全也將構成重要影響。因此，有必要對鏈輪結構進行優(yōu)化改進設計。

圖4 鏈輪與鏈條應力（Pa）分布圖

4 結構優(yōu)化分析

4.1 鏈輪結構優(yōu)化定型

結合前文對鏈輪與鏈條嚙合時的受力情況分析可知，鏈輪的鏈窩部位是整個結構的薄弱部位，極容易出現(xiàn)結構失效現(xiàn)象。為此，采用了當前成熟的正交優(yōu)化設計方法，對鏈輪的輪齒厚度、齒形圓弧半徑、鏈窩弧半徑、齒根圓弧半徑等結構參數(shù)進行正交優(yōu)化分析[6]，即：主要改變此四組試驗元素的結構參數(shù)值，進行9組試驗參數(shù)的組合優(yōu)化試驗分析。最終得出了最優(yōu)的輪齒結構參數(shù)值，如表3所示。

表3 優(yōu)化后鏈輪關鍵參數(shù)

4.2 優(yōu)化后鏈輪結構性能分析

按照最優(yōu)的鏈輪參數(shù)，采用SolidWorks軟件，建立了優(yōu)化后的鏈輪結構模型，通過設置相同優(yōu)化參數(shù)，開展了優(yōu)化后鏈輪的結構性能研究，結構的應力分布圖如下頁圖5所示。由圖可知，優(yōu)化的鏈輪與鏈條之間的應力集中現(xiàn)象得到明顯降低，最大應力值也從原來的270 MPa降低至192 MPa，鏈窩處的應力值也相應減少。由此可知，優(yōu)化后的鏈輪結構具有更高的結構性能，不僅提高了鏈輪的使用壽命及設備的正常運行效率，而且具有一定的應用價值。

圖5 優(yōu)化后鏈輪結構應力（Pa）分布圖

5 結語

采用當前先進成熟的有限元分析方法，開展鏈輪的結構性能提升研究，已成為當前的重要的研究手段。有效保障鏈輪的結構性能，減少其結構磨損程度和故障發(fā)生率，不僅能有效延長鏈輪的使用壽命，也能提升鏈輪及刮板輸送機的工效率，提升煤礦產量。本文的研究成果對減少企業(yè)的研發(fā)費用投入、保障產品性能具有重要意義，也為刮板輸送機上其他部件的結構性能研究提供指導思路。