SGZ1000型矿用刮板输送机链轮结构性能的仿真分析

刘全喜

（大同同比机械制造有限公司，山西 大同 037001）

引言

随着国家对煤矿资源的大量开采，诸多类型的煤矿设备被应用于煤矿开采作业中，刮板输送机作为煤矿开采的重要设备，对提升煤矿开采量具有重要作用[1]。由于井下环境的恶劣性，加上煤矿开采过程中会产生大量的煤灰或煤石，导致刮板输送机作业过程中经常出现机头损坏、链轮断齿、中部槽变形等异常失效故障。另外，由于外界煤石颗粒会夹杂在设备之间的啮合处，加大了刮板输送机出现结构失效的概率[2]。链轮作为刮板输送机中的关键部件，由于与链条之间啮合时存在较大的载荷作用，一旦外界载荷过大，将极容易导致链轮出现轮齿变形、开裂或断裂等失效现象。有效保证链轮的结构强度，降低其结构失效概率，成为提高刮板输送机作业效率及使用寿命的重要方面。为此，以SGZ1000型矿用刮板输送机中链轮为分析对象，对链轮在不同工况下的结构强度进行研究。

1 刮板输送机结构特点分析

目前，市场上的刮板输送机种类相对较多，但其结构基本相同，主要由机尾、传动装置、驱动系统、链轮、链条、中部槽、过渡槽、抬高槽、机头等部件组成，如图1所示。根据中部槽的结构宽度，又可将刮板输送机分为630、764、800、880、1000、1200等系列[3]，其工作原理主要是通过传动装置带动链轮旋转从而带动链条、刮板运动，实现将进入到溜槽内的煤炭从机尾运输至机头，最终转运至转载机上。刮板输送机作业时经常会出现难启动、强度机械冲击、电流过大、频繁过载及较大的振动冲击等问题，此些异常现象均会严重影响设备的正常开采。

图1 刮板输送机结构图

链轮在作业时也经常会出现磨损严重、断齿、轮齿压溃等故障，其现场断裂图如图2所示。其中，链轮的磨损则是由于在与链条啮合接触处聚集了一定的煤石或粉尘，增加了接触处的摩擦力，长时间的啮合，致使链轮的磨损更加严重[4]。链轮的压溃失效主要是由于链轮在生产过程中未按标准的生产工艺进行生产，省略了必要的工序，或选用了不合格材料等引起，加上链轮长时间受到较大的载荷作用，特别是设备的过载启动瞬间，导致链轮发生了不同程度的塑形变形现象，进而使链轮出现了稳定磨损现象[5]。

2 刮板输送机链轮模型建立

2.1 链轮三维模型建立

为进一步掌握链轮在不同工况下的结构性能，结合SGZ1000型矿用刮板输送机中链轮为分析对象，采用Solidworks软件，对其进行了三维模型建立。在建模过程中，为提高整个分析过程的精度和分析速度，将链轮中的圆角、倒角、过渡圆弧等特征进行了模型简化，仅保留了链轮中轮齿、中心轴、键槽等关键部位[6]。同时，对链轮中的较小非关键圆孔也进行了模型简化。所建立的链轮三维模型如图3所示。

图2 链轮现场断裂图

图3 链轮三维模型图

2.2 链轮结构分析模型建立

将建立的链轮三维模型保存为stp格式后，导致如ABAQUS软件中，对链轮进行仿真模型建立。在软件中，首先将链轮的材料设置为Q235材料，其材料的关键性能参数如表1所示。同时，由于链轮为实体结构，故在软件中对链轮进行了实体单元设置，网格类型为四面体网格单元，网格大小为10 mm。同时，将链轮与链条之间进行了接触设置，并对链轮中部轴孔进行了旋转约束设置。在链轮上施加了牵引作用力。整个模型的分析时间设置为15 min，开展了链轮在不同工况下的结构强度分析。

表1 Q235材料主要性能参数

3 链轮结构性能分析

为找到链轮的结构性能，在其中部轴孔上施加了400 kN·m和500 kN·m的旋转扭矩，即工况一和工况二条件，以此模拟链轮在不同外界载荷下的结构性能变化规律。

3.1 工况一下链轮结构性能分析

在此工况条件下，得到了链轮的应力变化图，如图4所示。由图可知，链轮整体结构出现了应力分布不均匀现象，其中，链轮上轮齿根部的应力相对较大，达到了198.03 MPa，虽小于其材料的屈服强度235 MPa。链轮轮齿根部一周的应力值均相对较高，而其轮齿上及顶部的应力值则相对较小。由此，找到了链轮轮齿根部位整个结构的薄弱部位，由于链轮作业时经常会遇到较大外界突增载荷，故在此区域极容易率先出现结构失效现象，需对其进行结构加强优化。

图4 链轮应力（MPa）变化图

图5 链轮结构变形（mm）图

图5为链轮在此工况下的位移变化图。由图可知，链轮整体结构出现了不同程度的结构位移变化，最大位移出现在链轮与链条接触处，最大位移为0.192 6 mm，整体变形量相对较小。链轮的其他区域位移变化相对较小。由此，找到了链轮作业时的最大变化位移集中在与链轮接触处，若链轮轮齿顶部结构强度不足，在较大的外界载荷下极容易出现结构断裂现象，需对此进行结构优化升级。

3.2 工况二下链轮结构性能分析

通过分析，得到了链轮在此工况下的应力变化图。由图6可知，链轮在此工况下也出现了应力分布不均匀现象，最大应力值集中在链轮的轮齿根部，达到201.9 MPa，也小于链轮材料的屈服强度235 MPa。链轮的轮齿、中部轴及键槽处的应力值相对较小。与前文的应力变化规律基本相似。为此，为提高链轮的使用寿命，有必要对其进行结构优化改进。

图7为链轮在此工况下的结构位移变化图。由图可知，链轮整体结构呈现不同程度的位移变化，最大变化位移也出现在链轮与链条之间的接触处，最大变形位移为0.386 6 mm，链轮其他区域的变形量则相对更小，此规律也与上文基本相同。由此，在此工况下，链轮的最大变形处也出现在与链条接触处。

4 链轮的结构优化改进

结合前文分析，找到了链轮轮齿根部出现了较大的应力集中现象，且轮齿顶部的结构变形量相对较大，此些区域为整个结构的薄弱部位，需对其进行结构优化改进，具体如下：

1）将链轮的结构材料设置为屈服强度更高的Q345材料，使其在使用过程中具有更高的结构强度；

2）将链轮的厚度增加5 mm，轮齿根部与轮齿连接处增加圆弧过渡，过渡圆弧设置为R5 mm，能有效减小此区域的应力集中现象；

图6 链轮应力（MPa）变化图

图7链轮结构变形（mm）图

3）增加轮齿的厚度5 mm，链窝圆弧半径增加2 mm，可提高链轮的结构强度；

4）定期对链轮与链条之间的啮合接触部位的煤石或煤灰进行清理，保证啮合处具有更低的摩擦力，减少链轮的磨损程度；

5）加强对链轮作业时自身结构的维护保养，当发生链轮出现结构开裂、变形或断裂等失效现象时，需及时对其进行维修，以避免刮板输送机出现更大结构失效现象。

5 结论

1）由仿真分析结果可知，链轮的轮齿根部及齿顶啮合区域为整个结构的薄弱部位，虽分析结果值在材料的屈服强度范围内，但若遇到较大或更严峻工况条件，将会在此区域率先发生结构变形或断裂失效现象。

2）根据找到的链轮的结构性能变化规律，对链轮的结构进行优化，对提高链轮及刮板输送机的使用寿命具有重要意义。