徐程兵

（山西陽城陽泰集團(tuán)晶鑫煤業(yè)股份有限公司， 山西 晉城 048100）

引言

作為煤炭開采機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵部件之一的刮板輸送機(jī)是承載煤炭物料運(yùn)輸裝卸的核心設(shè)備，如果能對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)相關(guān)的優(yōu)化[1]，不僅能減小能量消耗，還能提高煤炭的生產(chǎn)效率，加速對(duì)煤炭物料的產(chǎn)出[2]。

因此，通過對(duì)刮板輸送機(jī)實(shí)際工況環(huán)境的調(diào)查，以目前常用的SGB420/30 型刮板輸送機(jī)CST 減速器為研究對(duì)象，根據(jù)該類減速器所受到的沖擊載荷以及振動(dòng)作用，對(duì)CST 減速器結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)減速箱的凈力學(xué)，以動(dòng)態(tài)性能為優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)，使得CST 減速器的整體質(zhì)量更輕，實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，并且在質(zhì)量減小的情況下，還能滿足實(shí)際工況的工作性能要求，使得CST 減速器箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度都能夠滿足工作要求。試驗(yàn)研究以有限元數(shù)值模擬分析方法為工具，研究成果可為研發(fā)新型的刮板輸送的整體結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1 刮板輸送機(jī)的工況適應(yīng)性分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成分析

刮板輸送機(jī)作為目前常用的煤炭開采設(shè)備，配備有牽引系統(tǒng)、溜槽結(jié)構(gòu)、底部支撐，通過各種金屬機(jī)架組成，對(duì)各類附屬部件進(jìn)行裝配和作用力支撐。刮板輸送機(jī)其傳動(dòng)裝置主要由三大部分組成，分別為發(fā)動(dòng)機(jī)、減速器、連軸器[3]。為了提高工作效率，大多數(shù)刮板輸送機(jī)已采用CST 減速器[4]，該類減速器可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)以及電液反饋保護(hù)作用，其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

由于CST 減速器能夠極大減小沖擊載荷被許多煤礦企業(yè)所使用，但其質(zhì)量較大，因此從減速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化入手，實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化的最終目的。

圖1 CST 減速器結(jié)構(gòu)示意圖

刮板輸送機(jī)還具有其他運(yùn)輸?shù)母綄俨考?，包括溜槽、刮板鏈條、鏈輪組、盲軸的結(jié)構(gòu)，各個(gè)部件之間由中間相關(guān)構(gòu)造連接成整體。

1.2 減速器箱體特性分析

目前對(duì)于減速器的研究主要是進(jìn)行動(dòng)力學(xué)方面的研究，根據(jù)減速器構(gòu)建瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，判斷減速器是否會(huì)有強(qiáng)烈的振動(dòng)，甚至是形成共振現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者還對(duì)減速器箱體的應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行了分析，結(jié)合材料實(shí)際應(yīng)用，判斷出減速器箱體是否能夠滿足工作性能。但是目前還沒有對(duì)常用的CST 減速器箱體進(jìn)行深入研究，針對(duì)CST 減速箱體的相關(guān)特性，提出以下拓普優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。

建立CST 箱體的數(shù)值模擬分析模型，根據(jù)仿真出的最大應(yīng)力數(shù)值以及動(dòng)態(tài)數(shù)值為優(yōu)化參數(shù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化。以目標(biāo)函數(shù)、約束條件、設(shè)計(jì)變量為拓?fù)鋬?yōu)化的三個(gè)基本點(diǎn)[5]，對(duì)CST 減速箱體實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化的目的。

2 箱體有限元模型的建立

2.1 三維模型的建立

CST箱體主要可以分為輸入端、輸出端、中間載體、定位部件、定位蓋板等5 個(gè)部件[6]，每個(gè)部件都通過螺栓或者焊點(diǎn)進(jìn)行連接。為了提高仿真的有效性，按照1∶1 的實(shí)際模型對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建立，去除對(duì)整體承載力作用不大的零碎部件，以提高仿真的效率。通過Pro/e 建模軟件對(duì)箱體進(jìn)行建模，如下頁圖2 所示。

2.2 材料參數(shù)的設(shè)定及網(wǎng)格模型的建立

圖2 CST 箱體三維模型示意圖

根據(jù)實(shí)際情況條件對(duì)CST 箱體的材料進(jìn)行設(shè)定，將楊氏模量設(shè)置為172GPa，將密度設(shè)置為7000kg/m3，將泊松比設(shè)置為0.29，將屈服強(qiáng)度設(shè)置為278MPa。

通過HyperWorks 軟件對(duì)CST 箱體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總體網(wǎng)格數(shù)目為1 182 973，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為3 142 116，每個(gè)網(wǎng)格屬性均采用邊長(zhǎng)大小為16 mm 的三面體網(wǎng)格單元，CST 箱體的有效源模型如圖3 所示。

圖3 CST 箱體有限元模型示意圖

2.3 邊界條件約束及載荷施加

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件，去除一些載荷作用比較小的邊界條件，對(duì)各個(gè)部件之間的接觸表面進(jìn)行約定和設(shè)置，主要對(duì)減速器各個(gè)齒輪之間的接觸表面液黏傳動(dòng)進(jìn)行輸出約定，設(shè)定液黏傳動(dòng)的反向力矩為4.2×108N·mm，考慮各個(gè)螺栓的預(yù)緊應(yīng)力能夠與工作產(chǎn)生力矩平衡，將整體的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 CST 箱體齒輪結(jié)構(gòu)示意圖

3 箱體拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化位置確定

將CST 箱體進(jìn)行機(jī)械化結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使整體箱體能夠滿足工作所需的強(qiáng)度高度，并盡量減少材料的使用，通過對(duì)工作載荷目標(biāo)參數(shù)的設(shè)定，在軟件中通過自動(dòng)計(jì)算減少CST 箱體結(jié)構(gòu)部分位置的材料或者改變結(jié)構(gòu)。通過對(duì)原始結(jié)構(gòu)工作載荷分析，得出了可優(yōu)化的區(qū)域如圖5 所示。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

圖5 CST 箱體可優(yōu)化位置示意圖

在ANSYS 軟件的優(yōu)化模塊中進(jìn)行求解，對(duì)整體箱體的密度分布圖進(jìn)行計(jì)算。為了使優(yōu)化后的箱體結(jié)構(gòu)還能保持強(qiáng)度和高度，增強(qiáng)力學(xué)性能，在優(yōu)化模塊中提高了20%的目標(biāo)求解結(jié)果，基于計(jì)算機(jī)模擬分析結(jié)果，對(duì)減速器箱體做了以下幾處改進(jìn)：

1）輸入箱體的下表面和前后兩個(gè)側(cè)面分別打薄5 mm，內(nèi)部隔板的厚度增加3 mm；

2）將輸出箱體螺栓固定處切四個(gè)斜角，并在與機(jī)架貼合面鉆8 個(gè)直徑為100 mm、深90 mm 的孔；

3）對(duì)應(yīng)力集中部位進(jìn)行倒圓角處理。

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后的的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)重塑，按照原有邊界條件以及載荷作用力對(duì)優(yōu)化后的箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。由分析結(jié)果可知，在額定工況下，最大位移由0.25 mm 減為0.18 mm，降低18.4%。在最大工況下，最大位移由0.256mm 減為0.24 mm，降低3.85%。因此，CST 箱體滿足使用條件。

綜上所述，對(duì)箱體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，重建后的箱體總質(zhì)量為5120.97 kg，減輕358.03 kg，減少6.26%。隨后，對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化后的CST 減速器箱體進(jìn)行強(qiáng)度分析，與原箱體分析結(jié)果對(duì)比，分析結(jié)果表明，優(yōu)化后箱體具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，優(yōu)化效果較為明顯，更能滿足部件的使用需求。

4 結(jié)語

刮板輸送機(jī)作為煤炭開采過程中運(yùn)輸煤炭能源物料的關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)提高其工作性能。通過數(shù)值模擬分析的方法對(duì)減速箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，以滿足實(shí)際工作條件的強(qiáng)度、剛度為目標(biāo)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的減速器箱體在能保證工作實(shí)際需求的情況下減輕自身質(zhì)量，達(dá)到了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的最終目的。