孫威偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037000）

引言

隨著我國(guó)科技的不斷發(fā)展，煤礦機(jī)械的工作效率及自動(dòng)化程度不斷提升，礦井的開(kāi)采逐步向著智能化、可視化方向發(fā)展。刮板輸送機(jī)作為我國(guó)礦井開(kāi)采重要的運(yùn)輸設(shè)備，其主要是將采煤機(jī)截割下的煤塊運(yùn)輸至地表，可以看出，刮板輸送機(jī)的工作性能在一定程度上影響著礦井的正常開(kāi)采[1-2]。目前我國(guó)刮板輸送機(jī)為了滿足工作面智能化、大型化的要求逐步向著自動(dòng)化、重型化的方向邁進(jìn)，這無(wú)疑對(duì)刮板輸送機(jī)的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)提出不小的要求，刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪優(yōu)化設(shè)計(jì)成為了時(shí)下熱門(mén)的研究課題[3-4]。為了降低驅(qū)動(dòng)鏈輪的磨損程度，提升刮板輸送機(jī)可靠性，通過(guò)理論分析結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)鏈輪進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為礦井高效開(kāi)采提供一定的保障。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析研究

在我國(guó)帶式輸送機(jī)應(yīng)用范圍及其廣泛，主要集中在需要長(zhǎng)運(yùn)輸、長(zhǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)、負(fù)載大的碼頭、農(nóng)業(yè)及礦業(yè)開(kāi)采等領(lǐng)域。帶式輸送機(jī)一般由雙滾筒多電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高負(fù)載的要求。刮板輸送機(jī)在日常工作過(guò)程中，由于載荷的沖擊使得部件發(fā)生破壞，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)其主要的破壞形式為磨損、斷齒及壓潰。磨損是指在鏈輪運(yùn)行過(guò)程中圓環(huán)鏈運(yùn)行至鏈輪鏈窩的位置時(shí)由于壓應(yīng)力的作用使得接觸表面出現(xiàn)凹坑，出現(xiàn)磨損，此外由于礦井工作環(huán)境較為惡劣使得鏈輪中極易混入砂石、煤粉等堅(jiān)硬小顆粒，使得鏈輪發(fā)生磨損。

驅(qū)動(dòng)鏈輪作為刮板輸送機(jī)重要的傳動(dòng)部件，其在運(yùn)行過(guò)程中由于受到不同的沖擊載荷使得圓鏈輪與驅(qū)動(dòng)鏈輪的磨損加劇，所以為了提升兩者的可靠性，本文利用ANSYS數(shù)值模擬軟件對(duì)鏈輪傳動(dòng)的力學(xué)特性進(jìn)行分析，為后續(xù)的優(yōu)化研究作出一定的參考。

首先進(jìn)行模型建立，本次模擬以SGB420/17為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行模型建立，采用ANSYS外接軟件對(duì)模型進(jìn)行繪制，將繪制好的模型進(jìn)行導(dǎo)入，導(dǎo)入后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分遵循接觸部位細(xì)化分，邊緣部分粗劃分的原則，完成網(wǎng)格劃分后對(duì)模型進(jìn)行主要的力學(xué)參數(shù)設(shè)置，圓鏈環(huán)選定的23MnCrNiMo主要的力學(xué)屬性如下：彈性模量210 GPa，密度為7 860 kg/m3，泊松比為0.25。類似的驅(qū)動(dòng)鏈輪選定30GrMnTi，其主要的力學(xué)參數(shù)如下：彈性模量206 GPa，密度為7 860 kg/m3，泊松比為0.3。完成參數(shù)設(shè)定后對(duì)模型的接觸進(jìn)行設(shè)置，鏈環(huán)間的接觸設(shè)置為摩擦接觸，其中動(dòng)力、靜力摩擦系數(shù)設(shè)定分別為0.3、0.2，鏈條的拉力設(shè)定為7.3 kN，模擬的仿真時(shí)間為0.1 s，對(duì)模型進(jìn)行模擬研究，模擬結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出，鏈輪的整體應(yīng)力較小，而在驅(qū)動(dòng)鏈輪運(yùn)行過(guò)程中，鏈輪的鏈窩部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力值明顯較大，在鏈窩側(cè)面與鏈窩底部平面接觸的位置出現(xiàn)應(yīng)力最大值，最大的應(yīng)力為270 MPa，剩余部位的應(yīng)力值較小，對(duì)其的分析可以忽略。

圖1 驅(qū)動(dòng)鏈輪應(yīng)力分布云圖

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

對(duì)不同參數(shù)下的驅(qū)動(dòng)鏈輪的受力情況進(jìn)行對(duì)比分析優(yōu)化，采用正交的方法進(jìn)行研究，最終給出最佳的參數(shù)結(jié)構(gòu)，本文選定的正交參數(shù)分別為齒根圓弧的半徑、斷齒的齒厚、鏈窩弧的半徑及齒形圓弧的半徑，四種參數(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 四種參數(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)的水平表如1所示。

進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表2所示。

表2 驅(qū)動(dòng)鏈輪正交優(yōu)化水平表

從表1中可以看出，四種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的驅(qū)動(dòng)鏈輪應(yīng)力最大值不同，為了降低驅(qū)動(dòng)鏈輪的磨損，所以選定驅(qū)動(dòng)鏈輪應(yīng)力最大值中的最小值就是模擬尋找的最佳結(jié)構(gòu)，觀察可知，在實(shí)驗(yàn)組數(shù)為2和7時(shí)，兩者的應(yīng)力最大值為本次正交實(shí)驗(yàn)的最小值，分別為當(dāng)齒根圓弧半徑為7 mm，短齒厚度46 mm，鏈窩弧半徑24 mm，齒形圓弧半徑28 mm時(shí)最大應(yīng)力值為158.3 MPa，當(dāng)齒根圓弧半徑為6 mm，短齒厚度44 mm，鏈窩弧半徑24 mm，齒形圓弧半徑30 mm時(shí)最大應(yīng)力值為158.2 MPa，在此結(jié)構(gòu)下驅(qū)動(dòng)鏈輪的受力最下，發(fā)生磨損故障的幾率最小。同時(shí)通過(guò)分析四種參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪的影響大小發(fā)現(xiàn)，齒形圓弧半徑及齒根圓弧半徑對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力的影響效果要大于其他兩個(gè)因素。

表1 驅(qū)動(dòng)鏈輪正交優(yōu)化水平表

對(duì)正交實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，齒根圓弧半徑為7 mm，短齒厚度46 mm，鏈窩弧半徑24 mm，齒形圓弧半徑28 mm，優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)鏈輪材料、邊界條件、網(wǎng)格等均與優(yōu)化前相似，對(duì)比優(yōu)化前后驅(qū)動(dòng)鏈輪的受力情況如圖2所示。

如圖2可以看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后出現(xiàn)應(yīng)力集中部位沒(méi)有發(fā)生改變，仍在鏈窩側(cè)面與鏈窩底部平面接觸的位置出現(xiàn)應(yīng)力最大值，但最大值降低到192 MPa，較優(yōu)化前的270 MPa，降低了78 MPa，降低幅度為28.9%，雖然應(yīng)力值有了一定幅度的降低，但受力部位應(yīng)力集中的現(xiàn)象仍沒(méi)有得到有效的解決，由于其工作環(huán)境較為惡劣，且刮板輸送機(jī)部件較大，更換較為復(fù)雜，所以為了提升驅(qū)動(dòng)鏈輪的工作面年限及工作的可靠性，可以在鏈窩的位置覆蓋一層金屬層，從而提升應(yīng)力集中部位的磨損程度，達(dá)到保證刮板輸送機(jī)可靠運(yùn)行的目的。

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)原有刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)在鏈窩側(cè)面與鏈窩底部平面接觸的位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值為270 MPa。

2）對(duì)齒根圓弧的半徑、斷齒的齒厚、鏈窩弧的半徑及齒形圓弧的半徑四種參數(shù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，選定最佳結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案齒根圓弧半徑為7 mm，短齒厚度46 mm，鏈窩弧半徑24 mm，齒形圓弧半徑28 mm。

3）對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后應(yīng)力最大值為192 MPa，較優(yōu)化前的270 MPa，降低了78 MPa，降低幅度為28.9%。