SGZ800 型刮板输送机减速器箱体的结构性能研究

李 泽

（大同煤矿集团朔煤小峪煤业有限公司， 山西 朔州 038300）

引言

煤矿资源作为国家快速发展的重要能源，实现对其资源的大量开采，已成为提升国家综合实力，实现经济快速增长的关键方向。矿用刮板输送机作为煤矿开采的的三大矿机之一，保障其设备的高效、安全运行，成为企业重点考虑问题[1]。然而，刮板输送机中的减速器箱体在使用过程中，由于受到较大的外部载荷冲击作用，加上该部件的长时间超负荷运行，导致其结构出现了不同程度的局部变形、裂缝等失效现象，此事故一旦发生，将给煤矿的开采效率及作业安全构成严重威胁[2]。为此，结合当前成熟的有限元分析技术，对减速器箱体进行结构性能研究显得十分必要。因此，以SGZ800 型刮板输送机为分析对象，在对该设备中的减速器箱体特性分析基础上，开展了减速器箱体在不同工况条件下的结构性能研究，并对箱体进行了优化改进设计，这对提升减速器箱体的结构性能具有重要作用。

1 减速器箱体结构特性分析

刮板输送机的减速器箱体结构较为复杂，包括输入箱体、输出箱体、定位键、中间箱体、定位盖等部分，各部分之间通过螺栓进行刚性连接，通过箱体上定位键及定位盖上的卡口，可将其固定在刮板输送机上的机架上[3]。而减速器箱体是整个刮板输送机上的关键部件，在设备运行过程中起到重要的支撑、齿轮保护及减振等作用，保证其结构具有较强的结构强度及刚度至关重要[4]。其中，箱体内部由于存在一套较为完整的齿轮传动系统，啮合过程中会通过传动轴将冲击作用力传递至箱体结构上，导致箱体在整个过程会产生不同程度的振动现象，随着运行时间的加长及自身结构质量缺陷，导致箱体出现了结构失效现象。箱体的失效包括静态和动态失效，而动态失效则是由于箱体受到外部不同程度的连续冲击所致。在减速器箱体的设计及生产中，经常会采用增加箱体的结构厚度及内部加强筋设计等，这虽一定程度上保证了箱体具有更高的结构性能，但也增加了部件的材料耗损及生产成本。利用当前成熟的分析技术，使减速器箱体结构的综合性能得到显著提升，并实现结构的轻量化设计，已成为当前在部件结构设计中重点考虑问题。因此，对减速器箱体进行结构性能研究显得十分必要。

2 减速器箱体的模型建立

2.1 三维模型建立

为进一步分析减速器箱体在使用过程中的结构性能，采用SOLIDWORKS 软件，选用SGZ800 型刮板输送机为分析对象，对该设备中的减速器箱体进行三维模型建立，主要包括箱体输入、输出、中间、定位键及定位盖等部分[5]。由于箱体的结构相对复杂，为提高后文对结构的网格划分质量及分析精度，对箱体上的圆角、倒角、非关键部位的较小圆孔进行模型简化，仅保留了箱体上的关键部件，不仅缩短了箱体的分析时间，也避免了出现结构上的局部应力集中现象，保证了箱体的分析结果更加符合实际使用环境。所建立的减速器箱体三维模型如下页图1 所示。

2.2 仿真模型建立

将建立的箱体三维模型导入至ABAQUS 软件中，对其进行有限元仿真模型建立。在该软件中，首先对模型中各模块间进行固定约束，使其连接紧固。结合箱体的实际使用材料，将其材料设置为Q460 钢材料，保证所建立的模型符合箱体的实际情况，箱体材料的关键参数如下页表1 所示[6]。

结合箱体的结构特点，在软件中对其进行了四面体网格划分，关键部位的网格大小设置为10 mm，非关键部位的网格大小设置为12 mm，最终划分的四面体单元为1 345 345 个，箱体的网格划分图如图2 所示。

图1 减速器箱体三维图

表1 Q460 钢材料主要性能参数

图2 减速器箱体网格划分图

3 不同工况下箱体的结构性能分析

箱体的实际运行工况相对较多，故主要对箱体在额定工况及最大工况条件下进行结构性能研究。在额定工况下，在输入箱体上施加的转矩为3×108N·mm，分析时间设置为0.15 s，而最大工况条件下则在出入箱体上施加3.85×108N·mm 的转矩，其他条件相同。

3.1 箱体额定工况下结构应力分析

通过分析，得到了箱体在额定工况下的结构应力变化图，如图3 所示。由图可知，箱体整体结构出现了应力分布不均匀现象，其中，中间箱体上的定位键及定位盖等区域的应力相对更高，沿中间箱体的四周呈逐渐减小的变化趋势，分析其原因为定位键附近是整个结构的受力部位，外界的箱体重力及传动载荷力基本集中在定位键上及定位盖上。箱体的输出箱体上的中间过渡连接处及连接螺栓处也出现了一定的应力集中现象，但相对较小。由此得出，箱体中间定位盖及定位键附近为整个结构的薄弱部位，随着箱体的长时间无规律运转，极可能率先在此区域发生结构变形或开裂等失效现象，影响刮板输送机的运行效率。

图3 箱体额定工况下的结构应力图

3.2 箱体最大工况下结构应力分析

图4 为箱体在最大工况下的结构应力变化图。由图可知，箱体在最大工况下的结构变化规律与额定工况下基本相同，整体结构也出现了更为明显的应力分布不均匀现象，箱体中部的定位键及定位盖的应力最大，在中间箱体的两端也出现了较为明显的应力集中。而箱体输出箱体的中部的应力值也相对较大。由此可知，箱体在最大工况下更容易率先在定位键及定位盖附近出现结构变形或开裂现象，输出箱体的中部区域也相对薄弱，需对箱体进行结构优化改进研究。

图4 箱体最大工况下的结构应力图

4 箱体的优化改进分析

结合前文分析，箱体在两种工况条件下均出现了较大程度的应力集中现象，且应力值超过了材料的屈服强度，箱体的长期运行使用，将给刮板输送机的高效运行造成重要威胁。为保证箱体的安全运行，对其进行了结构优化改进设计，优化改进后的中间箱体和输出箱体图如图5 和图6 所示。主要包括如下几点：

1）将箱体的材料由现有的Q460 改变为强度更高的20Cr 材料，可有效提高材料的屈服强度，以满足箱体在不同工况下使用需求；

2）将箱体定位盖的厚度增加2 mm，并增加定位键的键宽和键深约2 mm；

3）对箱体上输入箱体的前后侧面进行减薄，内部隔板厚度增加3.5 mm，而输出箱体与及机架连接处钻Φ10 mm 的螺纹孔，以实现两部件的更牢固连接；

4）在减速器箱体上应力集中周边的非关键区域开设直径为2～3 mm 的通孔，形成塑性铰，使得集中应力向此小孔处进行转移，以实现对集中应力的有效缓解。

图5 改进后的中间箱体

图6 改进后的输出箱体

5 结论

结合设备现场使用出现的故障问题，不断对其结构性能进行分析研究，是有效保证设备高效及安全运行的重要方法。在刮板输送机减速器箱体使用过程中，定期对其进行故障检测及维护保养，发现其结构出现变形或开裂等故障失效现象时，应及时采用有效的维修措施，并对结构失效原因进行分析研究，找到其失效规律。为此，以SGZ800 型刮板输送机为分析对象，对其设备中的减速器箱体在不同工况下进行了结构性能研究，得出了箱体的定位盖、定位键出现了较大的应力集中现象，为整个箱体中的最为薄弱部位，并由此对箱体进行了结构优化改进设计。此研究对提升减速器箱体的结构性能具有重要作用。