郭志偉

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048214）

引言

刮板輸送機作為煤炭生產(chǎn)運行的重要輸送設(shè)備，其主要承擔著將采煤機落下的煤炭輸送至帶式輸送機或者破碎機中的任務(wù)[1-2]。近年來，綜采工作面出現(xiàn)了大型化、智能化的發(fā)展趨勢，采煤設(shè)備需要進一步的優(yōu)化升級，刮板輸送機的優(yōu)化升級刻不容緩[3-5]。驅(qū)動鏈輪作為刮板輸送機鏈傳動系統(tǒng)的重要組成部件，其工作環(huán)境極為惡劣，受力情況極為復雜，驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈之間存在較為明顯的磨損問題，嚴重影響刮板輸送機的使用壽命[6]。為了進一步提升刮板輸送機的工作可靠性，提高刮板輸送機的運行效率和機械性能，以某型號刮板輸送機驅(qū)動鏈輪為研究對象，開展驅(qū)動鏈輪強度分析與優(yōu)化設(shè)計工作具有重要的意義。

1 驅(qū)動鏈輪失效形式概述

刮板輸送機運行環(huán)境較為復雜，如潮濕、粉塵等，驅(qū)動鏈輪與鏈直接存在連續(xù)的相對運動，致使驅(qū)動鏈輪失效的主要形式為磨損及過渡磨損下的斷齒等。驅(qū)動鏈輪常見的磨損形式涉及疲勞磨損和磨粒磨損，以疲勞磨損為主，主要產(chǎn)生的原因是圓環(huán)鏈嚙入鏈輪鏈窩時，會在兩者的接觸位置出現(xiàn)較大應(yīng)力，屬于循環(huán)交變應(yīng)力。在往復交變的應(yīng)力作用下，驅(qū)動鏈輪表面會形成微裂紋，隨著時間的推移，微裂紋擴展直至表面材料脫落形成凹坑，即產(chǎn)生了疲勞磨損。

2 有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

依據(jù)某型號刮板輸送機驅(qū)動鏈輪的工程圖紙及現(xiàn)場測繪的尺寸信息，運用SolidWorks 軟件建立的驅(qū)動輪的三維模型。為了提高仿真計算的效率，驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈三維模型建立時忽略了對仿真計算結(jié)果影響不大的圓角等特征。

2.2 材料屬性設(shè)置

將建立完成的驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈組件三維模型導入ANSYS 仿真計算軟件進行前處理，首先進行材料屬性的設(shè)置。圓環(huán)鏈材料牌號為23MnCrNiMo，其力學性能參數(shù)如下：彈性模量為210 GPa、泊松比為0.25，密度為7 860 kg/m3。驅(qū)動鏈輪的材料牌號為30CrMnTi，其力學性能參數(shù)如下：彈性模量為206GPa、泊松比為0.31，密度為7 860 kg/m3。根據(jù)上述參數(shù)完成驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈組件材料屬性的設(shè)置。

2.3 網(wǎng)格劃分

完成驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈組件材料屬性設(shè)置之后進行網(wǎng)格劃分，因結(jié)構(gòu)較為復雜，選擇自由劃分網(wǎng)格功能。為了更好地體現(xiàn)仿真計算結(jié)果，對輪齒、鏈窩、齒根和圓環(huán)鏈進行網(wǎng)格細化設(shè)置，其中輪齒底面、鏈窩齒形圓側(cè)面和圓環(huán)鏈的單元邊長為3 mm，鏈窩齒根圓側(cè)面的單元邊長為1 mm，其余圓環(huán)鏈與鏈其他位置的單元邊長為10 mm。

2.4 約束設(shè)置

驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈之間接觸為摩擦接觸形式，需要設(shè)置摩擦系數(shù)，接觸面的靜摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3，動摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。依據(jù)刮板輸送機實際工況，確定圓環(huán)鏈的拉力為7.3 kN，驅(qū)動鏈輪的中心孔設(shè)置為固定約束。仿真時長設(shè)置為0.1 s，子步數(shù)為10，完成上述前處理之后即可進行驅(qū)動鏈輪強度的仿真計算。

2.5 仿真計算結(jié)果

驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈組件強度仿真計算使用ANSYS 仿真軟件內(nèi)部自帶的求解器進行，待仿真計算完畢，提取驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈嚙合位置的應(yīng)力分布云圖，如下頁圖1 所示，為了更清晰地觀察驅(qū)動鏈輪的應(yīng)力分布情況，將應(yīng)力分布云圖中的圓環(huán)鏈進行了隱藏設(shè)置，如圖2 所示。

由圖1 和圖2 仿真計算結(jié)果可以看出，驅(qū)動鏈輪工作過程中鏈輪鏈窩位置的應(yīng)力數(shù)值最大，最大應(yīng)力為168.89 MPa，存在應(yīng)力集中情況。仔細觀察驅(qū)動鏈輪鏈窩位置可以發(fā)現(xiàn)，鏈窩底部平面與鏈窩側(cè)面靠近中間立環(huán)槽的部分應(yīng)力最大，驅(qū)動鏈輪除此之外的部分應(yīng)力很小，可以忽略不計。由上述仿真分析結(jié)果可以看出，驅(qū)動鏈輪鏈窩出現(xiàn)疲勞磨損的主要原因是其工作過程中存在應(yīng)力集中，隨著時間的推移，鏈窩表面材料將會出現(xiàn)疲勞剝落，出現(xiàn)疲勞磨損失效。

圖1 驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈應(yīng)力分布云圖

圖2 驅(qū)動鏈輪應(yīng)力分布云圖

3 驅(qū)動鏈輪參數(shù)優(yōu)化

為了改善驅(qū)動鏈輪的受力狀態(tài)，提高驅(qū)動鏈輪的使用壽命和可靠性，需對驅(qū)動鏈輪參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合多年的工作經(jīng)驗，確定了驅(qū)動鏈輪可以優(yōu)化的參數(shù)包括短齒厚度、齒根圓弧半徑、齒形圓弧半徑、鏈窩弧半徑等。結(jié)合驅(qū)動鏈輪實際工作情況及優(yōu)化改進的難易程度，此處選擇增加短齒厚度的方法進行驅(qū)動鏈輪參數(shù)優(yōu)化，將短齒厚度由原來的45 mm增厚至45.5 mm。

4 優(yōu)化效果評價

完成驅(qū)動鏈輪短齒厚度參數(shù)優(yōu)化設(shè)計之后需要驗證優(yōu)化設(shè)計的效果，運用SolidWorks 三維軟件修改驅(qū)動鏈輪的模型，之后導入ANSYS 仿真計算軟件進行前處理，要求前處理過程中的設(shè)置參數(shù)數(shù)值與優(yōu)化設(shè)計之前保持一致，以便更好地分析優(yōu)化改進的設(shè)計效果。完成優(yōu)化驅(qū)動鏈輪有限元仿真分析前處理之后即可啟動自帶求解器進行強度仿真計算。

4.1 仿真分析

完成優(yōu)化之后驅(qū)動鏈輪強度仿真計算之后提取驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈組件應(yīng)力分布云圖，如圖3 所示，由圖3 可以看出，參數(shù)優(yōu)化之后的驅(qū)動鏈輪的最大應(yīng)力依然出現(xiàn)在鏈窩位置，在鏈窩中的應(yīng)力分布與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計之前基本一致，不同的是鏈窩位置的最大應(yīng)力數(shù)值為156.7 MPa。

圖3 優(yōu)化驅(qū)動鏈輪應(yīng)力分布云圖

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

通過驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈組件仿真結(jié)果對比可以得出，將驅(qū)動鏈輪短齒厚度由原來的45 mm 增厚至45.5 mm 可以降低驅(qū)動鏈輪鏈窩的最大應(yīng)力數(shù)值，優(yōu)化之前的鏈窩位置的最大應(yīng)力數(shù)值為168.89 MPa，優(yōu)化之后鏈窩位置的最大應(yīng)力數(shù)值為156.7 MPa。雖然短齒厚的尺寸僅僅降低約1.1%，但鏈窩位置的最大應(yīng)力卻降低了近7.2%，由此可見，改進效果比較明顯。此處僅僅開展了增大短齒厚參數(shù)趨勢下的優(yōu)化設(shè)計工作，取得了很好的優(yōu)化效果，可以得出增大短齒厚尺寸可以降低驅(qū)動鏈輪鏈窩位置的最大應(yīng)力，有利于提高驅(qū)動鏈輪的工作穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)語

刮板輸送機作為井下綜采工作面內(nèi)煤炭輸送的關(guān)鍵設(shè)備，其工作的可靠性至關(guān)重要。以某型號刮板輸送機驅(qū)動鏈輪為研究對象，分析了刮板輸送機驅(qū)動鏈輪常見的失效形式，借助ANSYS 仿真計算軟件，分析了刮板輸送機驅(qū)動鏈輪接觸強度，結(jié)果表明，驅(qū)動鏈輪鏈窩位置存在較大的應(yīng)力。通過將短齒厚度由45 mm 增厚至45.5 mm 的方法進行了改進，仿真計算結(jié)果表明，驅(qū)動鏈輪鏈窩位置的應(yīng)力降低了近7.2%，提高了刮板輸送機驅(qū)動鏈輪運行的可靠性。