張俊杰

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦， 山西 方山 033100）

引言

刮板輸送機(jī)是煤礦開(kāi)采中一種常用的裝備，其對(duì)物料的轉(zhuǎn)運(yùn)，提高生產(chǎn)效率起著重要的作用。隨著開(kāi)采行業(yè)的不斷發(fā)展，刮板輸送機(jī)也不斷朝著大型化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，對(duì)于提升煤礦產(chǎn)能發(fā)揮了重要作用。但是，刮板輸送機(jī)本身結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題也受到人們的廣泛關(guān)注，其鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)鏈條、驅(qū)動(dòng)輪的使用壽命具有極大的影響，研究鏈輪驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問(wèn)題，對(duì)于提高刮板輸送機(jī)使用壽命、提升煤礦開(kāi)采企業(yè)整體效益具有重要意義。本文對(duì)SGB4318型刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，為刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考[1-3]。

1 常見(jiàn)鏈輪的失效形式

與齒輪的失效形式相似，刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鏈輪的主要失效形式包括磨損、齒根斷裂、壓潰等。磨損在鏈輪工作中是不可避免的，由于工作環(huán)境會(huì)產(chǎn)生一些微小固定顆粒掉落在鏈輪與鏈條接觸的鏈窩中，在循環(huán)載荷的作用下，在輪齒表面形成凹坑。凹坑進(jìn)一步發(fā)展，形成微小裂紋，從而不斷擴(kuò)散，最后導(dǎo)致斷裂失效[4]。

鏈輪齒面壓潰失效，通常是由于工作載荷過(guò)大，或者是鏈輪本身結(jié)構(gòu)問(wèn)題以及加工工藝的處理不當(dāng)造成的。鏈輪容易受到由鏈條傳遞而來(lái)的沖擊載荷，很容易導(dǎo)致鏈輪產(chǎn)生塑性變形，變形之后的形狀與原鏈條的形狀并不契合，從而導(dǎo)致齒面壓潰。與齒輪結(jié)構(gòu)類(lèi)似，驅(qū)動(dòng)鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)包括齒數(shù)、節(jié)圓直徑、分度圓直徑、齒寬、齒厚等，鏈輪的優(yōu)化從這些設(shè)計(jì)參數(shù)入手[5]。

2 模型的建立

2.1 模型的創(chuàng)建

對(duì)鏈輪與鏈條擬合狀態(tài)進(jìn)行應(yīng)力分析，首先對(duì)SGB4318型刮板輸送機(jī)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明，其輸送量為50 t/h，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為50 m，鏈條規(guī)格為Φ14 mm×150 mm，鏈速為0.80 m/s。根據(jù)鏈條與鏈輪仿真分析的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，驅(qū)動(dòng)鏈輪主要參數(shù)見(jiàn)表1。

在三維軟件SolidWorks中創(chuàng)建好鏈輪與鏈條的三維模型，以Parasolid文件格式導(dǎo)入ANSYSWorkbench中，并完成兩模型之間配合關(guān)系的設(shè)定[6]。

在ANSYS Workbench中新建一個(gè)Structural分析模塊，分別設(shè)置好鏈輪與鏈條的材料各項(xiàng)參數(shù)，圓環(huán)鏈的材料是23MnCrNiMo，泊松比為0.25，彈性模量為210 GPa。驅(qū)動(dòng)鏈輪的材料選擇30GrMnTi，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。模型采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格技術(shù)，并對(duì)兩模型相互接觸地方的網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，圖1所示為模型網(wǎng)格劃分示意圖。

圖1 模型網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 載荷與邊界條件的確定

首先，在驅(qū)動(dòng)鏈輪與鏈條之間，創(chuàng)建摩擦接觸，在ANSYS Workbench前處理模型中設(shè)置Frictional有摩擦接觸，設(shè)置動(dòng)摩擦系數(shù)為0.25，靜摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。設(shè)置鏈條的拉力為7.3 kN，固定約束鏈輪軸孔位置，仿真時(shí)間設(shè)定為0.2 s，補(bǔ)償系數(shù)設(shè)置為2，進(jìn)而仿真驅(qū)動(dòng)鏈輪的最大應(yīng)力及應(yīng)力分布情況。

3 接觸分析結(jié)果

根據(jù)ANSYS Workbench模型計(jì)算仿真結(jié)果，得到鏈輪與鏈條在嚙合過(guò)程中應(yīng)力分布的情況，如圖2所示。

圖2 應(yīng)力分析結(jié)果

由圖2分析結(jié)果，得到當(dāng)驅(qū)動(dòng)鏈輪受到鏈條作用力時(shí)，鏈輪的鏈窩處應(yīng)力應(yīng)變最為明顯，也就是鏈輪與鏈條剛剛開(kāi)始擬合的地方。就分布情況來(lái)看，鏈窩底部平面與鏈窩側(cè)面，與鏈條嚙合接觸區(qū)域應(yīng)力分布最大，最大172.3 MPa，其他位置的應(yīng)力分布較小。

4 鏈輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)鏈輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)采用的正交優(yōu)化設(shè)計(jì)法，是一種典型多因素的試驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法。其原理是依據(jù)正交特性，使用正交表格，從而在較少的試驗(yàn)次數(shù)中獲得比較理想的優(yōu)化結(jié)果。本文采用正交優(yōu)化法對(duì)鏈輪的相關(guān)重要參數(shù)做優(yōu)化統(tǒng)計(jì)，經(jīng)過(guò)仿真分析得到最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而改進(jìn)、提升鏈輪的使用性能。

4.1 優(yōu)化參數(shù)的選擇

根據(jù)對(duì)刮板運(yùn)行過(guò)程中對(duì)鏈輪與鏈條嚙合過(guò)程的受力進(jìn)行分析，確定驅(qū)動(dòng)鏈輪的鏈窩為主要承載位置，選擇決定鏈輪輪齒的三個(gè)重要參數(shù)。建立好相對(duì)應(yīng)的模型，通過(guò)仿真分析得到接觸應(yīng)力，由此可以確定各參數(shù)對(duì)鏈輪性能的影響。本文中選擇齒厚、齒形圓半徑、鏈窩弧半徑三種參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)優(yōu)化仿真試驗(yàn)。圖3所示為優(yōu)化參數(shù)示意圖。

4.2 正交優(yōu)化結(jié)果

為了便于表達(dá)，在此用符號(hào)a表示齒厚參數(shù)，R表示齒形圓弧半徑，r表示鏈窩弧半徑，然后取a為44 mm、45 mm、46 mm，R取 23 mm、24 mm、25 mm三個(gè)參數(shù)，r取28 mm、29 mm、30 mm三個(gè)參數(shù)。將正交優(yōu)化分析法所得的序列組合作為優(yōu)化分析的參數(shù)，已知關(guān)于a、R和r的參數(shù)設(shè)計(jì)如表2，以這九種模型設(shè)計(jì)正交優(yōu)化試驗(yàn)方案，并得到試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

圖3 優(yōu)化參數(shù)示意圖

表2 正交試驗(yàn)分析結(jié)果

然后使用方差分析的方式處理試驗(yàn)結(jié)果，在直觀分析中，發(fā)現(xiàn)因素R、r，即齒形圓弧半徑、鏈窩弧半徑在分析結(jié)果中，對(duì)鏈輪應(yīng)力分布影響更大，在對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析時(shí)，只考慮R與r，兩個(gè)參數(shù)為方差設(shè)計(jì)變量，由于篇幅所限，具體計(jì)算過(guò)程不再一一展示，最終得到的鏈輪優(yōu)化參數(shù)為：a=45 mm；R=30 mm；r=24.2 mm。據(jù)此重新建立鏈輪與鏈條的接觸模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、材料參數(shù)設(shè)置、接觸設(shè)置等，分析計(jì)算優(yōu)化后的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，齒輪應(yīng)力結(jié)果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后鏈輪的接觸仿真

在相同的邊界條件、載荷設(shè)定的情況下，優(yōu)化后鏈輪接觸分析最大應(yīng)力為160.5 MPa，最大應(yīng)變值為0.001 21 mm，與優(yōu)化前原始狀態(tài)計(jì)算結(jié)果對(duì)比，如表3所示。

表3 漏電保護(hù)測(cè)試數(shù)據(jù)

由表3可知，優(yōu)化后最大應(yīng)力減小了6.84%，最大應(yīng)變減少了9.61%，對(duì)鏈輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)效果明顯，優(yōu)化方案是針對(duì)鏈輪的設(shè)計(jì)參數(shù)改進(jìn)的，所以對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考意義。

5 結(jié)論

1）對(duì)影響鏈輪接觸應(yīng)力的三個(gè)因素作為變量建模求解。對(duì)九個(gè)試驗(yàn)分析模型進(jìn)行分析，選擇了兩個(gè)影響最大的因素，并確定相對(duì)最優(yōu)的鏈輪優(yōu)化參數(shù)為a=45 mm、R=30 mm、r=24.2 mm。

2）優(yōu)化后最大接觸應(yīng)力減小了6.84%，最大應(yīng)變減少了9.61%，對(duì)鏈輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)效果明顯，為鏈輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，為提高鏈輪可靠性以及輸送機(jī)整體的生產(chǎn)效益具有重要意義。