雷春福

(山西汾西正文煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032302)

刮板輸送機是煤礦井下采掘運輸?shù)闹饕O(shè)備之一，刮板輸送機運行效率直接影響井下生產(chǎn)[1-2]。刮板輸送機正常運行時依靠機頭驅(qū)動裝置提供動力，鏈輪往往承受較大作用力，在使用過程中容易磨損導(dǎo)致失效。刮板輸送機鏈輪失效的主要類型有壓潰、磨損以及斷裂等，壓潰主要是鏈輪受力過大或者人員操作不規(guī)范等導(dǎo)致，特別是新的鏈輪在較大載荷作用下表面容易出現(xiàn)較為明顯的塑性變形，長時間就會出現(xiàn)壓潰失效情況；磨損導(dǎo)致鏈輪厚度變薄、強度以及承載能力等變差；斷裂整體發(fā)生率較低，多集中發(fā)生在啟動初期，主要是啟動力過大或者載荷過大等導(dǎo)致[3-7]。降低鏈輪在使用過程中的磨損可提高設(shè)備使用壽命，提高刮板輸送機整體工作效率[8-9]。文中以山西某礦30905綜采工作面內(nèi)布置的SGZ-1000/3×1000刮板輸送機為工程實例，采用數(shù)值模擬技術(shù)對驅(qū)動鏈輪受力進行分析，并針對性進行改進優(yōu)化。

1 刮板輸送機鏈輪受力分析

1.1 嚙合過程分析

刮板輸送機運行期間，鏈輪運行工況復(fù)雜，鏈輪、圓鏈環(huán)間磨損較為明顯。為掌握鏈輪運行期間受力情況，需要對鏈輪嚙合過程進行分析。鏈輪嚙合過程中，齒輪圓弧半徑、鏈窩弧半徑以及齒根圓弧半徑等參數(shù)會使得嚙合齒窩形態(tài)變化，給鏈輪、圓鏈環(huán)嚙合效果帶來影響。當增加齒輪圓弧半徑時，鏈輪、圓鏈環(huán)交匯位置更為靠上，導(dǎo)致形成角度減少，使得鏈輪、圓鏈環(huán)間受力更為明顯；在保持齒根圓弧半徑不變而增大圓鏈環(huán)半徑時，則鏈輪、圓鏈環(huán)嚙合側(cè)面積增加，增大了壓潰事故風(fēng)險。

鏈輪在正常運行時，鏈輪齒給圓鏈環(huán)施加一定的向前牽引力，從而使得刮板鏈往返移動；在鏈輪運行時首先在鏈窩側(cè)面與圓鏈環(huán)圓弧接觸之后全部咬合。

1.2 模擬模型構(gòu)建

根據(jù)采面使用的SGZ-1000/3×1000實際條件，采用Workbench軟件構(gòu)建鏈輪、圓鏈環(huán)嚙合模擬模型，并設(shè)定模擬參數(shù)，將模擬網(wǎng)格按0.01 mm均勻劃分。齒輪正常運轉(zhuǎn)時，將鏈輪、圓鏈環(huán)間摩擦系數(shù)設(shè)定為0.2，具體模型見圖1。在模型上施加的載荷依據(jù)現(xiàn)場實際情況確定，鏈輪上施加的拉應(yīng)力F=7.3 kN、鏈輪轉(zhuǎn)動線速度為0.76 m/s、鏈輪轉(zhuǎn)動副載轉(zhuǎn)速64.3 r/min。整個模擬仿真時間控制在0.05 s，設(shè)置步長為6。

圖1 鏈輪、圓鏈環(huán)嚙合模擬模型

1.3 模擬結(jié)果分析

鏈輪、圓鏈環(huán)嚙合期間受力情況如圖2所示。從圖2模擬結(jié)果看出，鏈輪在正常運行時鏈窩側(cè)面、底面出現(xiàn)不同程度應(yīng)力集中問題，其中最大應(yīng)力達到712.5 MPa。為詳細掌握鏈輪運行時鏈窩側(cè)面、底面受力情況，對不同鏈輪旋轉(zhuǎn)角時的受力情況進行分析。將鏈輪鏈窩底面平行平面時角度設(shè)定為0°，并在后續(xù)模擬期間按照2°間隔記錄一次應(yīng)力數(shù)據(jù)，從而得到鏈輪與圓鏈環(huán)正常接觸時的受力情況。鏈輪正常工作時鏈窩底面及側(cè)面受力監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

圖2 鏈輪、圓鏈環(huán)嚙合期間受力情況(MPa)

圖3 鏈輪正常工作時鏈窩底面及側(cè)面受力監(jiān)測結(jié)果

從圖3中看出，隨著鏈輪旋轉(zhuǎn)角增加，鏈輪鏈窩底面及側(cè)面受力呈增加趨勢，其中當鏈輪旋轉(zhuǎn)至40°時，鏈輪受力呈明顯增加趨勢；鏈輪旋轉(zhuǎn)至此位置時鏈輪齒與圓鏈環(huán)全部嚙合。在應(yīng)力反復(fù)影響下，鏈輪材料容易出現(xiàn)磨損以及疲勞損傷，給鏈輪正常運行帶來一定影響。

2 鏈輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

嚙合齒窩形態(tài)受齒輪圓弧半徑、鏈窩弧半徑以及齒根圓弧半徑等因素影響，為簡化分析難度，在鏈輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化時控制單一變量不變，對鏈輪在不同角度下的受力情況進行仿真分析，并對鏈輪結(jié)構(gòu)參數(shù)修改前后鏈輪受力情況進行分析，具體結(jié)果如圖4所示。

圖4 鏈輪結(jié)構(gòu)參數(shù)修改前后鏈輪受力情況

通過圖4看出，鏈輪受力與齒根圓弧、鏈窩弧半徑等有密切關(guān)聯(lián)，而對齒根圓半徑變化不敏感。在后續(xù)的鏈輪優(yōu)化過程中，應(yīng)重點從齒根圓弧以及鏈窩弧半徑優(yōu)化出發(fā)，提高鏈輪使用壽命并減少鏈輪使用過程中的磨損量。

鏈輪結(jié)構(gòu)不同參數(shù)時齒輪受力模擬結(jié)果見表1。

表1 模擬分析結(jié)果

根據(jù)表1所示確定最佳優(yōu)化參數(shù)，具體結(jié)構(gòu)規(guī)格為：齒根圓半徑7 mm、鏈窩弧半徑24 mm、齒根圓弧半徑30 mm，按照上述優(yōu)化參數(shù)對驅(qū)動鏈輪受力進行進行分析，具體結(jié)果如圖5所示。

從圖5看出，鏈輪在與圓鏈環(huán)嚙合過程中整體受力較為均衡，僅在鏈窩側(cè)部出現(xiàn)一定程度應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值為616.7 MPa，最大應(yīng)變量0.003 5 mm，應(yīng)力峰值以及應(yīng)變量等整體較小，較優(yōu)化前明顯降低。表明，通過對鏈輪結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，可起到改善鏈輪受力并提高鏈輪整體使用壽命的目的。

圖5 鏈輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化后示意

3 結(jié) 語

1) 在刮板輸送機驅(qū)動部鏈輪與圓鏈環(huán)嚙合期間，鏈窩側(cè)面與齒形圓接觸部分出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值可達到712.5 MPa。

2) 模擬發(fā)現(xiàn)鏈輪旋轉(zhuǎn)40°，鏈輪受力呈明顯增加趨勢，并確定最大受力位置；鏈窩側(cè)面摩擦損失較為明顯。

3) 鏈輪應(yīng)力受齒根圓弧、鏈窩弧半徑影響明顯，受齒根圓半徑變化影響不明顯。在后續(xù)優(yōu)化過程中應(yīng)注重點注重齒根圓弧以及鏈窩弧半徑參數(shù)，以便減少鏈輪局部受力強度并提高鏈輪整體使用壽命。