李 峰

(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團臺頭前灣煤業(yè)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100)

0 引 言

我國煤礦領(lǐng)域開采設(shè)備正朝著大功率化、重型化方向發(fā)展[1]。刮板輸送機作為重要的煤礦運輸裝備，輸送效率有了顯著提升[2]。在日益繁重的輸送任務(wù)下，刮板輸送機各零部件承受的載荷越來越大[3]。驅(qū)動鏈輪作為重要的承力結(jié)構(gòu)件，在重載荷作用下磨損問題日益凸顯，對鏈輪的運行可靠性和使用壽命均提出了更高的標準[4]。為了提升刮板輸送機運行過程的穩(wěn)定性，很多學者和技術(shù)人員對該設(shè)備進行了大量的分析和研究，取得了一定的研究成果，在促進刮板輸送機科研方面起了很大的積極作用[5-6]。筆者主要以刮板輸送機驅(qū)動鏈輪為研究對象，對其工作時的受力情況進行探討分析，提出建設(shè)性的優(yōu)化改進措施，強化實踐應(yīng)用效果。

1 刮板輸送機及驅(qū)動鏈輪失效概述

刮板輸送機是綜采工作面中重要的采煤設(shè)備，它的主要作用是將采煤機采集得到的煤礦物料進行輸送。另外，刮板輸送機還是采煤機軌道、液壓支架移動的支點。所以刮板輸送機是否可以安全可靠的運行，直接決定著煤礦開采過程的連續(xù)性。從機械結(jié)構(gòu)角度刮板輸送機主要由支撐結(jié)構(gòu)、鏈輪、刮板、圓環(huán)鏈等部分構(gòu)成。由于煤礦井下工作環(huán)境復雜，以上這些機械結(jié)構(gòu)件工作時容易發(fā)生各種故障問題。在所有的故障問題中驅(qū)動鏈輪的磨損失效是很常見的。如圖1所示為刮板輸送機驅(qū)動鏈輪磨損失效現(xiàn)場圖片。出現(xiàn)這種情況的原因在于井下濕度較高且空氣中包含有大量的煤粉，會加劇圓環(huán)鏈與驅(qū)動鏈輪之間的摩擦磨損；硬度較高的桿石或煤礦如果掉入圓環(huán)鏈和驅(qū)動鏈輪的嚙合面，則可能會直接導致鏈輪破損。針對驅(qū)動鏈輪磨損嚴重、壽命較短的問題，有必要對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，提升鏈輪結(jié)構(gòu)的耐磨性能。

圖1 驅(qū)動鏈輪磨損失效現(xiàn)場圖片

2 驅(qū)動鏈輪受力模型建立及其結(jié)果分析

2.1 模型的建立

研究的刮板輸送機型號為SGB420/17，根據(jù)該型號刮板輸送機驅(qū)動鏈輪的實際尺寸，利用SolidWorks軟件首先建立起三文集和模型，然后將其導入到ANSYS軟件中建立有限元模型。在ANSYS軟件中需要設(shè)置材料屬性并劃分網(wǎng)格，驅(qū)動鏈輪的加工材料為Q235，其對應(yīng)的彈性模量、泊松比、密度分別為122GPa、0.3、7860 kg/m3。綜合考慮模型的計算時間和精度要求，利用軟件中自帶的網(wǎng)格劃分程序?qū)δＰ瓦M行網(wǎng)格劃分，最終得到的網(wǎng)格和節(jié)點數(shù)量分別為13423和16784。模型中將鏈輪的運行速度設(shè)置為64.3 r/min，鏈齒受到的拉力為7.3 kN。

2.2 驅(qū)動鏈輪的受力結(jié)果分析

建立刮板輸送機驅(qū)動鏈輪的受力有限元模型后，即可對其受力和變形情況進行分析計算并對計算后的模型進行后處理，得到對應(yīng)的分析結(jié)果。如圖2所示為驅(qū)動鏈輪工作時的應(yīng)變分布云圖和應(yīng)力分布云圖。由圖可知，整個驅(qū)動鏈輪不同位置的應(yīng)變和應(yīng)力分布非常不均勻，驅(qū)動鏈輪不管是應(yīng)變還是應(yīng)力均主要集中在一對鏈齒上。該結(jié)果表明驅(qū)動鏈輪工作時真正參與受力的只有一對鏈齒，其它與圓環(huán)鏈接觸的鏈齒雖然也有受力，但受力大小不明顯。另外，在受力相對較大的一對驅(qū)動鏈輪中，應(yīng)力和應(yīng)變主要集中在鏈窩部分，與該部位距離越遠則受力和變形情況越不明顯。應(yīng)力最大值和應(yīng)變最大值分別為244 MPa和1.508 mm。

圖2 驅(qū)動鏈輪的應(yīng)變和應(yīng)力分布云圖

生產(chǎn)加工驅(qū)動鏈輪時，常用的制作材料為Q235，該材料具有非常好的韌性，方便進行加工。Q235正常情況下的抗拉強度為235 MPa，通過對驅(qū)動鏈輪進行受力分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力值達到了244 MPa，已經(jīng)超過了材料的抗拉強度，說明在受力較大的部位可能會發(fā)生嚴重的塑性損傷，從而加速該部位的損壞。另一方面，驅(qū)動鏈輪工作時需要不停的發(fā)生周期性旋轉(zhuǎn)，鏈輪鏈齒的受力也存在一定的周期性，屬于典型的疲勞問題。因此，在受力較大的鏈齒部位也特別容易出現(xiàn)疲勞磨損問題。

3 驅(qū)動鏈輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進

基于以上分析可以看出，由于驅(qū)動鏈輪結(jié)構(gòu)設(shè)計上的不合理，導致工作時應(yīng)力主要集中在一個鏈齒上，該部位出現(xiàn)了嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。這是導致驅(qū)動鏈輪摩擦磨損現(xiàn)象嚴重，使用壽命較低的主要原因。以下主要對驅(qū)動鏈輪的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，以降低其鏈齒中的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.1 優(yōu)化改進方案

刮板輸送機驅(qū)動鏈輪的結(jié)構(gòu)非常復雜，涉及到很多結(jié)構(gòu)參數(shù)，在開展優(yōu)化改進工作時難以對所有的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，應(yīng)該結(jié)合實際情況抓住主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，忽略次要結(jié)構(gòu)參數(shù)。已有的實踐經(jīng)驗和理論均表明，驅(qū)動鏈輪中有4個結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能影響最為顯著，分別為短齒厚度A、鏈窩長度B、齒型圓弧半徑C、鏈窩弧長度D，這4個結(jié)構(gòu)參數(shù)所處的位置如圖3所示。開展優(yōu)化改進工作時，以上述4個重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量，其中短齒厚度A的取值分別為44、45和46 mm，鏈窩長度B的取值分別為82、83、84 mm，齒型圓弧半徑C的取值分別為28、29、30 mm，鏈窩弧長度D的取值分別為23、24、25 mm?；谡粚嶒炈悸穼σ陨?個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分組，總共設(shè)計了9組模擬實驗，見表1所列。

圖3 驅(qū)動鏈輪優(yōu)化變量的位置

根據(jù)模擬實驗分組情況，再次利用SolidWorks和ANSYS軟件建立驅(qū)動鏈輪的受力有限元模型，并開展模擬仿真分析工作。所有模型除以上結(jié)構(gòu)參數(shù)不同外，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)及邊界條件等完全相同。獲得所有模擬結(jié)果后，對比結(jié)果中鏈齒的最大應(yīng)力值情況，最大應(yīng)力值越小意味著鏈輪的受力情況越優(yōu)越，使用壽命越長。

3.2 優(yōu)化改進結(jié)果

完成所有組別的模擬分析工作后，對相關(guān)結(jié)果進行統(tǒng)計，見表1。由表中結(jié)果可以看出，當驅(qū)動鏈輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化時，鏈齒中的最大應(yīng)力值結(jié)果存在一定程度的差異。在本研究范圍內(nèi)應(yīng)力最大值達到了261.4 MPa，最小值卻只有219.5 MPa。鏈子最大值最小時對應(yīng)的短齒厚度、鏈窩長度、齒型圓弧半徑、鏈窩弧長度分別為45 mm、83 mm、30 mm和25 mm。與優(yōu)化改進前相比，最大應(yīng)力值的降低幅度達到10%。最重要的是優(yōu)化后鏈齒的最大應(yīng)力值為219.5 MPa，已經(jīng)低于Q235材料的抗拉強度。驅(qū)動鏈輪工作時不會發(fā)生明顯的塑性損傷。

表1 優(yōu)化改進結(jié)果統(tǒng)計

4 實踐應(yīng)用效果

將優(yōu)化改進后的驅(qū)動鏈輪應(yīng)用到SGB420/17型刮板輸送機工程實踐中，對其運行情況進行了連續(xù)一年時間的觀察。通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的驅(qū)動鏈輪運行時具有良好的穩(wěn)定性。根據(jù)企業(yè)現(xiàn)場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化改進前刮板輸送機驅(qū)動鏈輪部分發(fā)生故障的頻率為每年8～10次。優(yōu)化改進后，驅(qū)動鏈輪部位的故障率降低到了3～4次每年，顯著提升了刮板輸送機運行的穩(wěn)定性和可靠性。綜上所述，此次針對驅(qū)動鏈輪的優(yōu)化改進，取得了很好的實踐應(yīng)用效果，達到了預期目的，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 語

以SGB420/17型刮板輸送機驅(qū)動鏈輪為研究對象，在分析結(jié)構(gòu)受力和變形基本情況的基礎(chǔ)上，對其進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，所得結(jié)論主要如下：①通過對驅(qū)動鏈輪的受力分析，發(fā)現(xiàn)鏈齒部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達到了244 MPa，已經(jīng)超過了Q235材料的抗拉強度，這是導致驅(qū)動鏈輪發(fā)生故障的重要原因之一；②以驅(qū)動鏈輪中4個結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量，基于正交實驗思想開展優(yōu)化改進工作，將驅(qū)動鏈輪鏈齒部位的最大應(yīng)力值降低到了219.5 MPa，低于Q235材料的抗拉強度；③將優(yōu)化改進后的驅(qū)動鏈輪應(yīng)用到工程實踐中，鏈輪結(jié)構(gòu)的故障率有了明顯降低，顯著提升了刮板輸送機運行的穩(wěn)定性和可靠性，經(jīng)濟效益顯著。