刮板连续运输车中关键结构的静力学分析

张林生，罗银贵，王洪祥

（1.郑州清源智能装备科技有限公司，郑州450001；2.哈尔滨工业大学 机电工程学院，哈尔滨150001）

0 引 言

煤矿资源在我国的能源消费结构中起到举足轻重的作用，刮板运输作为煤矿开采综合工作面最主要的运输方式，在煤矿生产与建设中具有重要的作用[1]。现阶段我国先后设计和制造出一些新型的重型刮板输送机，在运距、运量和总装机功率等方面已经同国外相近，但在设备性能、使用寿命和环境适应性等方面仍存在着较大差距[2]。刮板链作为重要的受力运动部件，因为设计制造、使用维护及工作面特殊工作条件等方面的影响，刮板链时常发生跳链、断链现象，严重地影响了正常生产，所以对这些零件材料的强度、韧性、耐磨性和抗腐蚀性都提出了很高的要求。刮板链一般采用的是圆环链，通过锯齿接链环连接组成完整的牵引链，在工作过程中刮板连续运输车运输距离较长，圆环链在拉力作用下容易发生变形，导致整条牵引链长度发生变化，为防止跳链现象的发生，圆环链重载部分的总伸长量应小于一个链节。牵引链中的接链环也是整个刮板链的薄弱环节，易发生断链现象。另外，溜槽架为左右两部分，通过回转销轴连接在一起，在溜槽架上安装弹簧板构成刮板转向机构，转向机构将相邻两车连接在一起，工作时溜槽架受车体拉力、煤炭与溜槽摩擦力和煤炭重力的共同作用，极易损坏。因此，本文利用SolidWorks软件对圆环链、接链环和溜槽架进行静力学分析，校核刮板连续运输车中这些关键结构能否满足强度和刚度要求[3-4]。

1 圆环链的静力学分析

所用圆环链尺寸规格为30×108，内宽为34 mm，外宽为94 mm，外长为168 mm，材料为高强度合金钢，其屈服强度、弹性模量和泊松比分别为620.422 MPa、210 GPa和0.28。首先利用SolidWorks软件建立的圆环链的三维模型（如图1），为了简化分析过程，只对其中的一个链节进行分析，将圆环链的中部用铰链固定，限制4个自由度，两端施加拉力，所施加拉力为250 kN，其方向如图2所示。圆环链的网格化划分如图3所示，通过计算得到的位移、应力和安全系数云图如图4～图6所示。

图1 圆环链三维模型

图2 圆环链载荷施加方向

图3 圆环链网格化划分

图4 圆环链位移云图

图5 圆环链应力云图

图6 圆环链安全系数云图

设smax为最大位移量，smin为最小位移量，L为刮板链重载段的长度，P为圆环链节距。则圆环链在运行阻力的作用下变形量Δ[5]为

假定刮板连续运输车的溜槽各处运行阻力相同，且圆环链的伸长量与所受拉力成正比，则刮板链重载段所受的拉力呈线性变化，即圆环链由尾车的驱动端到头车的从动端的各个链节伸长量线性减少，刮板链重载段总伸长量[5]为

经计算求得Δ=0.1185 mm，刮板链重载段总伸长量ΔL≈60.347 mm。由图可见，圆环链两端受拉力作用时，尽管在圆弧段与直线段接缝处会产生一定的应力集中，但因为最大应力σmax=324.799 MPa＜[σ]，安全系数最小值为1.910 17，且圆环链重载段的总伸长量小于链节长度，所以圆环链能满足强度和刚度要求。

2 接链环的静力学分析

刮板连续运输车整条牵引链以圆环链为主体，用接链环连接，实现刮板链循环运动，但发生断链也是最常见的故障之一，因此接链环成为牵引链中的薄弱环节。本文所用接链环为锯齿式，材料为高强度合金钢X38CrMoV4-1，其屈服强度、弹性模量和泊松比分别为1910 MPa、215 GPa和0.28。利用SolidWorks软件建立的接链环三维模型（如图7），接链环的中部用铰链固定，限制4个自由度，两端施加拉力，所施加拉力为250 kN，其方向如图8所示。接链环的网格化划分如图9所示，通过计算得到的位移、应力和安全系数云图如图10～图12所示。

图7 接链环三维模型

图8 载荷施加方向

图9 接链环网格化划分

图10 接链环位移云图

图11 接链环应力云图

图12 接链环安全系数云图

经计算求得Δ=smax-smin=0.13814 mm，这表明接链环与圆环链变形量的计算结果相近，接链环刚度与圆环链比较匹配。对比图5和图11可知，在接链环衔接处存在棱角，该处应力集中较为严重，这对牵引链的使用寿命会产生一定的影响，因此设计和制造过程中应加以注意。σmax=792.841 MPa＜[σ]，安全系数最小值为1.794 84，可知接链环也能满足强度要求。

3 溜槽架的静力学分析

溜槽架的材料为Q235，其屈服强度、弹性模量和泊松比分别为205 MPa、210 GPa和0.3。利用SolidWorks软件建立的溜槽架三维模型（如图13），限制5个自由度，使溜槽架只能沿拉力方向发生变形或位移。为了简化分析，将摩擦力和重力忽略不计，仅考虑溜槽架所受的拉力作用，当刮板连续运输车沿着最大倾角向上运动时，各个溜槽架所受拉力最大。设M为刮板连续运输车整车质量，β为煤矿巷道倾角，则倾角最大时溜槽架所受拉力[5]为

经计算求得F=330 kN。载荷施加方向如图14所示，溜槽架的网格化划分如图15所示，通过计算得到的位移、应力和安全系数云图如图16～图18所示。经有限元仿真计算求得Δ=smax-smin=0.15404 mm，变形量足够小，满足刚度要求。由图17可见，溜槽架的应力集中现象不明显，σmax=122.761 MPa＜[σ]，最小安全系数为4.973 74，可知溜槽架也能够满足强度要求。

图13 溜槽架三维模型

图14 载荷施加方向

图15 溜槽架网格划分

图16 溜槽架位移云图

4 结 语

图17 溜槽架应力云图

图18 溜槽架安全系数云图

本文利用SolidWorks软件对刮板连续运输车中关键部件进行了静力学分析，并对刮板连续运输车中的关键结构进行了强度校核，结果表明所用圆环链、接链环和溜槽架均能满足刚度和强度要求。通过对刮板连续运输车中的关键结构进行静力学分析，可以优化刮板链和溜槽架的结构，提高刮板连续运输车使用寿命和可靠性，并为我国大型刮板连续运输车关键部件的设计提供参考数据。