李 澤

（大同煤礦集團(tuán)朔煤小峪煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 038300）

引言

煤礦資源作為國(guó)家快速發(fā)展的重要能源，實(shí)現(xiàn)對(duì)其資源的大量開(kāi)采，已成為提升國(guó)家綜合實(shí)力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的關(guān)鍵方向。礦用刮板輸送機(jī)作為煤礦開(kāi)采的的三大礦機(jī)之一，保障其設(shè)備的高效、安全運(yùn)行，成為企業(yè)重點(diǎn)考慮問(wèn)題[1]。然而，刮板輸送機(jī)中的減速器箱體在使用過(guò)程中，由于受到較大的外部載荷沖擊作用，加上該部件的長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的局部變形、裂縫等失效現(xiàn)象，此事故一旦發(fā)生，將給煤礦的開(kāi)采效率及作業(yè)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2]。為此，結(jié)合當(dāng)前成熟的有限元分析技術(shù)，對(duì)減速器箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究顯得十分必要。因此，以SGZ800 型刮板輸送機(jī)為分析對(duì)象，在對(duì)該設(shè)備中的減速器箱體特性分析基礎(chǔ)上，開(kāi)展了減速器箱體在不同工況條件下的結(jié)構(gòu)性能研究，并對(duì)箱體進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，這對(duì)提升減速器箱體的結(jié)構(gòu)性能具有重要作用。

1 減速器箱體結(jié)構(gòu)特性分析

刮板輸送機(jī)的減速器箱體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包括輸入箱體、輸出箱體、定位鍵、中間箱體、定位蓋等部分，各部分之間通過(guò)螺栓進(jìn)行剛性連接，通過(guò)箱體上定位鍵及定位蓋上的卡口，可將其固定在刮板輸送機(jī)上的機(jī)架上[3]。而減速器箱體是整個(gè)刮板輸送機(jī)上的關(guān)鍵部件，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中起到重要的支撐、齒輪保護(hù)及減振等作用，保證其結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度至關(guān)重要[4]。其中，箱體內(nèi)部由于存在一套較為完整的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，嚙合過(guò)程中會(huì)通過(guò)傳動(dòng)軸將沖擊作用力傳遞至箱體結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致箱體在整個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)現(xiàn)象，隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)及自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致箱體出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。箱體的失效包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)失效，而動(dòng)態(tài)失效則是由于箱體受到外部不同程度的連續(xù)沖擊所致。在減速器箱體的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)中，經(jīng)常會(huì)采用增加箱體的結(jié)構(gòu)厚度及內(nèi)部加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)等，這雖一定程度上保證了箱體具有更高的結(jié)構(gòu)性能，但也增加了部件的材料耗損及生產(chǎn)成本。利用當(dāng)前成熟的分析技術(shù)，使減速器箱體結(jié)構(gòu)的綜合性能得到顯著提升，并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，已成為當(dāng)前在部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮問(wèn)題。因此，對(duì)減速器箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究顯得十分必要。

2 減速器箱體的模型建立

2.1 三維模型建立

為進(jìn)一步分析減速器箱體在使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)性能，采用SOLIDWORKS 軟件，選用SGZ800 型刮板輸送機(jī)為分析對(duì)象，對(duì)該設(shè)備中的減速器箱體進(jìn)行三維模型建立，主要包括箱體輸入、輸出、中間、定位鍵及定位蓋等部分[5]。由于箱體的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，為提高后文對(duì)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分質(zhì)量及分析精度，對(duì)箱體上的圓角、倒角、非關(guān)鍵部位的較小圓孔進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，僅保留了箱體上的關(guān)鍵部件，不僅縮短了箱體的分析時(shí)間，也避免了出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證了箱體的分析結(jié)果更加符合實(shí)際使用環(huán)境。所建立的減速器箱體三維模型如下頁(yè)圖1 所示。

2.2 仿真模型建立

將建立的箱體三維模型導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，對(duì)其進(jìn)行有限元仿真模型建立。在該軟件中，首先對(duì)模型中各模塊間進(jìn)行固定約束，使其連接緊固。結(jié)合箱體的實(shí)際使用材料，將其材料設(shè)置為Q460 鋼材料，保證所建立的模型符合箱體的實(shí)際情況，箱體材料的關(guān)鍵參數(shù)如下頁(yè)表1 所示[6]。

結(jié)合箱體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在軟件中對(duì)其進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，關(guān)鍵部位的網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，非關(guān)鍵部位的網(wǎng)格大小設(shè)置為12 mm，最終劃分的四面體單元為1 345 345 個(gè)，箱體的網(wǎng)格劃分圖如圖2 所示。

圖1 減速器箱體三維圖

表1 Q460 鋼材料主要性能參數(shù)

圖2 減速器箱體網(wǎng)格劃分圖

3 不同工況下箱體的結(jié)構(gòu)性能分析

箱體的實(shí)際運(yùn)行工況相對(duì)較多，故主要對(duì)箱體在額定工況及最大工況條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究。在額定工況下，在輸入箱體上施加的轉(zhuǎn)矩為3×108N·mm，分析時(shí)間設(shè)置為0.15 s，而最大工況條件下則在出入箱體上施加3.85×108N·mm 的轉(zhuǎn)矩，其他條件相同。

3.1 箱體額定工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

通過(guò)分析，得到了箱體在額定工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖，如圖3 所示。由圖可知，箱體整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，其中，中間箱體上的定位鍵及定位蓋等區(qū)域的應(yīng)力相對(duì)更高，沿中間箱體的四周呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，分析其原因?yàn)槎ㄎ绘I附近是整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力部位，外界的箱體重力及傳動(dòng)載荷力基本集中在定位鍵上及定位蓋上。箱體的輸出箱體上的中間過(guò)渡連接處及連接螺栓處也出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但相對(duì)較小。由此得出，箱體中間定位蓋及定位鍵附近為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，隨著箱體的長(zhǎng)時(shí)間無(wú)規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn)，極可能率先在此區(qū)域發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或開(kāi)裂等失效現(xiàn)象，影響刮板輸送機(jī)的運(yùn)行效率。

圖3 箱體額定工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

3.2 箱體最大工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

圖4 為箱體在最大工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖。由圖可知，箱體在最大工況下的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律與額定工況下基本相同，整體結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了更為明顯的應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，箱體中部的定位鍵及定位蓋的應(yīng)力最大，在中間箱體的兩端也出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中。而箱體輸出箱體的中部的應(yīng)力值也相對(duì)較大。由此可知，箱體在最大工況下更容易率先在定位鍵及定位蓋附近出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或開(kāi)裂現(xiàn)象，輸出箱體的中部區(qū)域也相對(duì)薄弱，需對(duì)箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)研究。

圖4 箱體最大工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

4 箱體的優(yōu)化改進(jìn)分析

結(jié)合前文分析，箱體在兩種工況條件下均出現(xiàn)了較大程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且應(yīng)力值超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，箱體的長(zhǎng)期運(yùn)行使用，將給刮板輸送機(jī)的高效運(yùn)行造成重要威脅。為保證箱體的安全運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化改進(jìn)后的中間箱體和輸出箱體圖如圖5 和圖6 所示。主要包括如下幾點(diǎn)：

1）將箱體的材料由現(xiàn)有的Q460 改變?yōu)閺?qiáng)度更高的20Cr 材料，可有效提高材料的屈服強(qiáng)度，以滿足箱體在不同工況下使用需求；

2）將箱體定位蓋的厚度增加2 mm，并增加定位鍵的鍵寬和鍵深約2 mm；

3）對(duì)箱體上輸入箱體的前后側(cè)面進(jìn)行減薄，內(nèi)部隔板厚度增加3.5 mm，而輸出箱體與及機(jī)架連接處鉆Φ10 mm 的螺紋孔，以實(shí)現(xiàn)兩部件的更牢固連接；

4）在減速器箱體上應(yīng)力集中周邊的非關(guān)鍵區(qū)域開(kāi)設(shè)直徑為2～3 mm 的通孔，形成塑性鉸，使得集中應(yīng)力向此小孔處進(jìn)行轉(zhuǎn)移，以實(shí)現(xiàn)對(duì)集中應(yīng)力的有效緩解。

圖5 改進(jìn)后的中間箱體

圖6 改進(jìn)后的輸出箱體

5 結(jié)論

結(jié)合設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)使用出現(xiàn)的故障問(wèn)題，不斷對(duì)其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究，是有效保證設(shè)備高效及安全運(yùn)行的重要方法。在刮板輸送機(jī)減速器箱體使用過(guò)程中，定期對(duì)其進(jìn)行故障檢測(cè)及維護(hù)保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形或開(kāi)裂等故障失效現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)采用有效的維修措施，并對(duì)結(jié)構(gòu)失效原因進(jìn)行分析研究，找到其失效規(guī)律。為此，以SGZ800 型刮板輸送機(jī)為分析對(duì)象，對(duì)其設(shè)備中的減速器箱體在不同工況下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能研究，得出了箱體的定位蓋、定位鍵出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，為整個(gè)箱體中的最為薄弱部位，并由此對(duì)箱體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。此研究對(duì)提升減速器箱體的結(jié)構(gòu)性能具有重要作用。