丁 華

（山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

煤炭資源作為我國(guó)一種常見(jiàn)的傳統(tǒng)資源，其在我國(guó)的能源利用率占比十分巨大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)煤炭資源作為支柱能源的格局預(yù)計(jì)50 年內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變。隨著我國(guó)多年的煤炭開(kāi)采，眾多的開(kāi)采難題困擾著礦井的高效開(kāi)采，如煤炭資源賦存分散、機(jī)械化水平程度較低、開(kāi)采污染問(wèn)題嚴(yán)重等均困擾著礦井的正常生產(chǎn)，所以促進(jìn)煤炭行業(yè)高效、安全、可持續(xù)發(fā)展成為了礦井開(kāi)采的目標(biāo)。刮板輸送機(jī)是井下運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，其工作性能直接影響礦井的開(kāi)采效率。在刮板輸送機(jī)工作過(guò)程中，減速器承擔(dān)著動(dòng)力輸送的任務(wù)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)達(dá)到調(diào)速目的，但由于礦井工作面環(huán)境較為惡劣，矸石、灰塵、振動(dòng)等均會(huì)增加減速器故障率，所以對(duì)減速器進(jìn)行一定的研究十分必要[1-2]。目前，我國(guó)學(xué)者對(duì)刮板輸送機(jī)減速器的研究較少，導(dǎo)致減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)并不能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[3-4]，所以本文基于減速器質(zhì)量、剛度、尺寸等參數(shù)對(duì)刮板輸送機(jī)減速箱進(jìn)行研究，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)減速箱的關(guān)鍵部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 減速器優(yōu)化

對(duì)刮板輸送機(jī)的減速箱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并不能脫離實(shí)際情況，所以為了保證優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠解決實(shí)際問(wèn)題，首先對(duì)某礦減速器發(fā)生故障失效形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在所有發(fā)生故障的事件中，出現(xiàn)頻率較高的形式有異響、滲漏油、打齒、軸承失效等，其中箱體相關(guān)故障的發(fā)生率超過(guò)50%。在所有失效故障中，發(fā)生故障的原因并不是單一存在的，而是由眾多的綜合因素共同導(dǎo)致，所以需要對(duì)導(dǎo)致故障發(fā)生的主要因素進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)對(duì)事故發(fā)生機(jī)理進(jìn)行分析，確定對(duì)箱體的材料、結(jié)構(gòu)尺寸、成型工藝等進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此來(lái)達(dá)到目標(biāo)要求。

對(duì)材料進(jìn)行選擇，刮板輸送機(jī)的箱體主要起到支撐、固定零件及定位的作用，同時(shí)能夠起到密封效果，所以箱體材料的選擇需要考慮剛度、加工性能、使用環(huán)境、成本各個(gè)方面因素。對(duì)箱體成型工藝進(jìn)行分析，成型工藝主要有焊接和鑄造，焊接工藝對(duì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的箱體，無(wú)法保證其密封性能，所以不作考慮，本文選定鑄造為成型工藝。箱體材料可選的種類(lèi)較多，其中按照材質(zhì)的種類(lèi)可分為鑄鐵、鑄鋁、鑄鋼，對(duì)不同材料的性能進(jìn)行分析：鑄鐵是最為常見(jiàn)的箱體金屬材料，其成本較為低廉，同時(shí)成型工藝較為完善，加工機(jī)械要求較低，對(duì)于加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜的箱體較為有利。其中球墨鑄鐵能夠有效提高鑄鐵的性能，在保證普通鑄鐵工藝的基礎(chǔ)上較好地提升材料的剛度及強(qiáng)度。鑄鋼和鑄鋁同樣是減速箱鑄造的常見(jiàn)材料，但兩種材料成本較高，同時(shí)鑄鋁箱在井下會(huì)發(fā)生爆炸，所以無(wú)法使用。綜合考慮后選定材料為球墨鑄鐵，根據(jù)對(duì)材料的分析，選定QT500-7 為箱體材料。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文選定箱體的總體結(jié)構(gòu)為上、下箱體結(jié)構(gòu)，箱體壁厚的選擇根據(jù)箱體設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選定為30 mm 的箱體厚度，同時(shí)在受力集中的部位設(shè)置加強(qiáng)筋，來(lái)達(dá)到提高箱體強(qiáng)度的目的。為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)整體受力情況，利用ANSYS 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究，將設(shè)計(jì)的減速箱結(jié)構(gòu)導(dǎo)入模擬軟件中，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮到結(jié)構(gòu)細(xì)小倒角、圓角等對(duì)整體模擬結(jié)果并不會(huì)有較大的影響，所以對(duì)細(xì)小不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，減速器簡(jiǎn)化后的三維實(shí)體模型如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 三維實(shí)體模型

對(duì)模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，根據(jù)模型的應(yīng)力分析需要，選定三維單元Solid186 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，完成網(wǎng)格劃分后對(duì)材料的屬性設(shè)定，為提升模擬的精度，根據(jù)材料QT500-7 對(duì)模型進(jìn)行設(shè)定，材料的泊松比為0.29，材料的彈性模量為216 GPa，材料的密度為7 800 kg/m3。完成材料屬性設(shè)定后對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，減速器箱體主要起到支撐主軸、固定齒輪以及吸收周期性振動(dòng)的作用。刮板輸送機(jī)減速器受到支撐軸承載荷及自身的重力，因此選定軸承孔的曲面作為載荷作用面，進(jìn)行約束設(shè)定，同時(shí)對(duì)輸出端法蘭面施加垂直及水平方向的固定約束。對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析。

對(duì)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種工況下減速箱的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，模擬云圖如圖2 所示。

圖2 模擬計(jì)算云圖

從圖2 可以看出，當(dāng)模擬輸入軸正轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)刮板輸送機(jī)的減速器在應(yīng)力集中部位受到的最大等效應(yīng)力值為12.73 MPa，正轉(zhuǎn)工況下受到的最大變形為0.038 1 mm。根據(jù)云圖可以看出，減速器箱體應(yīng)力集中主要分布于主軸輸入端的箱體法蘭位置，同時(shí)在筋板處也存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。刮板輸送機(jī)減速箱的變形主要位于法蘭盤(pán)上，這是由于在此位置受到刮板輸送機(jī)的自重影響較大，使得法蘭盤(pán)產(chǎn)生一定的向下變形。觀察輸入軸反轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D可以看出，此時(shí)減速器箱體呈現(xiàn)的最大等效應(yīng)力數(shù)值為21.48 MPa，減速箱受到的最大變形為0.079 7 mm，箱體應(yīng)力集中主要存在于輸入主軸軸承孔外側(cè)箱體位置，在減速箱殼體的其他位置應(yīng)力分布較小，變形量最大位置同樣處于輸出軸法蘭盤(pán)上。根據(jù)先前的研究可知，減速箱的材料為QT500-7，材料的屈服應(yīng)力為320 MPa，材料的許可伸長(zhǎng)率為7%。所以綜合對(duì)比可知，刮板輸送機(jī)減速器箱體設(shè)計(jì)能夠完全滿足刮板輸送機(jī)減速器箱體在運(yùn)行過(guò)程中安全的要求。

根據(jù)數(shù)值模擬分析可以看出，設(shè)計(jì)的減速器箱體在一定的程度下存在較大的應(yīng)力富裕量，所以為了保證材料的成本，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行一定的優(yōu)化，在保證滿足運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上，達(dá)到小于屈服強(qiáng)度320 MPa的要求。根據(jù)模擬結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，首先設(shè)定箱體壁厚為30 mm 時(shí)，箱體整體受力遠(yuǎn)低于屈服極限，所以將原箱體壁厚進(jìn)行縮減，將壁厚設(shè)定為13 mm，同時(shí)對(duì)法蘭壁厚進(jìn)行削減，從原有的80 mm減小至45 mm，完成尺寸優(yōu)化后對(duì)其進(jìn)行模擬分析，考慮到反轉(zhuǎn)工況下模擬結(jié)果較大，所以在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后對(duì)反轉(zhuǎn)工況下的箱體應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行研究，模擬云圖如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后反轉(zhuǎn)工況模擬云圖

從圖3 可以看出，在輸入軸進(jìn)行反轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)的刮板輸送機(jī)減速器箱體最大等效應(yīng)力值為156.31 MPa，而箱體的最大變形為1.104 2 mm。受力及變形的大小均小于材料QT500-7 的屈服應(yīng)力320 MPa 和材料伸長(zhǎng)率為7%。同時(shí)對(duì)比最大等效應(yīng)力與許用應(yīng)力后可得安全系數(shù)n≈2.05，所以經(jīng)過(guò)尺寸優(yōu)化后，此時(shí)的減速器箱體在降低自重及成本的同時(shí)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。對(duì)比優(yōu)化前后減速器箱體模擬結(jié)果可以得出，與原減速器箱體相比，優(yōu)化后的減速器箱體自重降低了14.78%，基于原有結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行的優(yōu)化具有很強(qiáng)的可行性，滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。

3 結(jié)論

1）對(duì)刮板輸送機(jī)的減速箱故障失效形式進(jìn)行分析，選定QT500-7 為箱體材料，同時(shí)采用球墨鑄鐵成型工藝進(jìn)行減速器生產(chǎn)。

2）當(dāng)模擬輸入軸正轉(zhuǎn)時(shí)及輸入軸反轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力變形云圖可以看出，減速器箱體設(shè)計(jì)能夠完全滿足刮板機(jī)減速器箱體在運(yùn)行過(guò)程中安全的要求。

3）對(duì)減速器進(jìn)行尺寸優(yōu)化，優(yōu)化后反轉(zhuǎn)工況減速器箱體最大等效應(yīng)力值為156.31 MPa，而箱體的最大變形為1.104 2 mm，滿足材料強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)方案可行。