刮板输送机关键结构创新与优化设计

◎ 李召峰，王 铮，贾 煜，王佩琦，王振民

（郑州中粮科研设计院有限公司，河南 郑州 450001）

刮板输送机可用于水平、倾斜和垂直方向输送散体物料，特别适用于油脂加工厂含油物料的输送和粮库原粮的输送。刮板输送机的主要优点是使用范围广，输送物料的种类多；刮板输送机密闭性非常好，输送过程不漏灰、漏料，能防尘、防水；工艺布置十分灵活，容易实现多点进料或多点出料；安装简单，操作、维修容易，运行平稳可靠。

1 刮板机概况

1.1 刮板机结构分析

刮板输送机种类繁多，形式各异，可根据不同的原则加以分类。按照用途及使用范围可分为普通型和特殊型，普通型刮板机用于输送一般性能的粉尘状、小颗粒状和小块状物料，特殊型刮板机输送机用于输送有某些特殊性能的散装物料。按固定方式分类可分为固定式和移动式，刮板输送机的机体和驱动装置均与基础固接在一起，无法搬动称为固定式。移动式较少见，一般只对机槽宽度较小、输送距离不长的水平型刮板机采用移动式结构。按照承载性质可分为重型和轻型，输送物料容重γ＞9.8 kN·m-3的为重型，输送物料容重γ≤9.8 kN·m-3的为轻型。按照输送链条的结构形式可分为模锻链、滚子链和焊接弯板链[1]。本文主要研究普通型固定式轻型焊接弯板链刮板机，利用Inventor进行了三维建模，如图1所示。

1.2 工作过程分析

刮板输送机头尾链轮分别安装于头部和尾部，头部链轮主要用来驱动输送链条运行，尾部链轮主要用来调节输送链条的松紧程度。输送链条和头尾轮齿形互相啮合，安装在壳体内，刮板焊接在输送链条两侧，并在刮板上安装超高分子聚乙烯板带动物料在壳体内行走，通过连续转动的头轮最终实现物料输送。刮板输送机的传动装置设计在头部，可以灵活布置其方式，张紧装置设计在尾部，通过转动两根丝杆带动尾部两侧滑动板滑动调节链条的张紧。刮板机的进料口设计在尾部上盖处，出料口设计在头部底板。物料从进料口进入刮板机机壳，链条刮板首先带动下层物料向机头移动，上层物料靠下层物料的内摩擦力移动，最终在机头出料口卸出[2]。

刮板机在运行过程中，不仅噪音大，阻力还非常大。因此，必须对中间段结构进行优化，降低噪音，减小运行阻力，从而降低整条设备的功率。头尾链轮作为埋刮板输送机重要的承力结构件，需要更高的可靠性及使用寿命。在刮板机所有的故障问题中，头尾链轮的磨损失效是最常见一种。针对头尾链轮磨损严重、寿命较短的问题，有必要对其结构进行优化设计，提升头尾轮结构的耐磨性能。

2 刮板机关键结构的创新设计

2.1 中间段创新设计

目前国内刮板输送机市场发展迅速，国外先进的输送设备不断充斥着国内市场，其先进性主要表现在埋刮板输送机结构形式的改变。市场上现有刮板输送机中间段结构件大同小异（见图2），在中间段原结构中，U型槽板与圆钢焊接组成托架，U型槽板不仅3面打孔还需要两边折弯，圆钢两端需要上车床打孔，打孔后还需要攻螺纹孔。耐磨钢板作为导轨打孔后与导轨托架采用沉头螺栓连接，组成导轨托架。这种结构存在很多缺点，主要有以下3点。①整个中间段结构复杂，浪费原材料。②加工工艺多，U型槽板需要折弯、打孔，圆钢两端定位孔不仅需要精加工还要攻螺纹孔，制作导轨托架耗费大量工时。③中间段即使在装配过程中保证导轨托架高度一致，在现场安装过程也很难保证两节连接处导轨在同一水平面。因此设备运行需要较大的功率，噪声也会很大。如果安装误差超过允许范围，甚至可能拉断输送链条，严重可能损坏传动装置。

中间段原结构和新结构如图2、图3所示。针对刮板机目前市场结构存在的问题，本次中间段设计了一种新型结构。在中间段新结构中，中间段导轨托架选择合适材料、连接方式，严格准确的设计以及易实现的制造工艺，进行轻量化设计，保证刮板机输送、安全等性能不降低。采用一体式导轨托架，减重的同时增加了强度。托架横撑采用型材空心方管制作无需打孔折弯攻丝，托架两端连接板采用激光下料，整个托架可在胎具上完成焊接，保证托架制作精度[3]。上导轨采用NM400材料,一端超出中间段20 mm并向下弯曲，两根导轨成八字形结构与托架方管焊接在一起，焊接时无需胎具，因为中间段两块侧板与底板装配完成后自成胎具，因此制作方便，并且装配精度要求不高，导轨两端开口大小误差可以在1～20 mm内，高低误差1～15 mm以内，能完美解决中间段连接处高低不平的问题，降低设备噪音、减小运行阻力。另外本次结构在底板中间铺设耐磨钢板作为下导轨，减少了输送链条在运行过程中与底板的接触面积，也很好地起到了降噪减阻的作用。整体结构用料少结构简单容易制作，经济效益显而易见。

图2 中间段原结构图

图3 中间段新结构图

2.2 头尾轮的创新设计

刮板机头尾链轮齿形完全相同，唯一不同的就是轮毂内孔直径不同。由于输送链条是通过头轮旋转带动行走，而尾轮则是输送链条带动其旋转的，因此头尾轮磨损失效是很常见的。但是磨损的只是刮板机头尾轮中与链条接触的部分，即头尾轮齿片，因此没必要将刮板机头尾轮整体更换。传统的头尾轮结构整体更换时，首先需要拆除刮板机机头、机尾的盖板，然后拆掉轴承以及密封圈，拿掉侧板，取出头尾轴组件，最后拔掉头尾轮。安装时需要用手拉葫芦将头尾轮组件吊装到位，然后对轴线进行找平，还要保证头轮、尾轮轴互相平行并且垂直于输送链条，最后组装机头尾。特别是对于机头还要保证与驱动装置的同轴度、水平度，因此安装过程耗费很长时间。

本次头轮创新设计采用装配式头尾轮，即轮毂（见图4）与齿片（见图5）采用装配式结构，轮毂与齿片采用专用铰制孔用螺栓和防松螺母连接，装配时铰制孔螺栓需成对安装，并且相邻螺栓要正反安装（见图6），这种安装方法既保证了整个头轮齿形精度，又可防止齿片与轮毂在长时间的运行过程中出现松动。齿片可单独采用42CrMo制作，增加耐磨性。轮毂可继续使用传统45钢制作，易加工整体非常经济实惠。另外，齿片采用剖分式结构（见图7），将整个齿片沿剖切线一分为二然后装配在轮毂上[4]。本结构由于每个零部件重量轻，并通过螺栓连接，因此装配方便快捷。当头尾轮齿形磨损严重需要更换时，可以不用拆开整个机头或者机尾，只需要拆掉上盖板，松开输送链条，就能直接更换链轮齿片，维修十分方便，又避免了因为整体更换使得其他完好的部件也被一起废弃，造成不必要的浪费，节约了材料成本。

图4 轮毂图

图5 齿轮图

图6 头尾轮装配示意图

2.3 机头结构优化

刮板机的驱动装置一般安装在机头，因此设备运行过程中链条的拉力主要通过头轮传递给侧板，优化侧板结构，不仅可以增强机头稳定性，还可以使传动更加平稳，增加减速机、联轴器等使用寿命。

图7 齿片剖切示意图

2.3.1 模型建立

利用Inventor软件建立机头侧板的三维简易模型，本次建立两种常用模型A和模型B（见图8、图9），这两种模型的总重量十分接近，并且板厚相同。利用Inventor软件环境中应力分析模块，建立机头侧板的有限元模型[5-6]。通过应力分析和最大变形量来选择最佳的机头侧板结构。

图8 模型A示意图

图9 模型B示意图

2.3.2 网格划分

首先对机头侧板的材料属性进行定义，材料设置为常用的Q235-A，其弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.26，材料密度为7.85 kg·m-3。采用自动网格划分方式对机头侧板进行网格划分，划分后模型A包含311 736个节点，186 400个元素，模型B包含204 430个节点，118 302个元素，如图10、图11所示。

图10 模型A网络划分图

图11 模型B网络划分图

2.3.3 机头侧板静力学分析

对两个模型施加相同约束，即固定侧板两端法兰。在轴承座板施加相同大小的均布力，力的大小为30 kN，方向朝向机尾端（见图10、图11中箭头）。设定求解结果后，分别对两个模型进行求解，求解结果如图12～15所示。

图12 模型A Mises等效应力图

由图12、图13 Mises等效应力云图，可以看出模型A最大等效应力为280.7 MPa，最大等效应力都主要集中在侧板与轴承座板连接处，因此该处需要严格控制焊接质量，绝不允许出现任何缺陷，其余等效应力值均小于Q235-A的屈服强度235 MPa。模型B最大等效应力为359.9 MPpa，最大等效应力主要集中在侧板与轴承座板连接处，另外侧板上下法兰以及轴承座板有7个区域的等效应力值在240 MPa左右，接近Q235-A的屈服强度235 MPa，非常容易发生塑性变形。

图13 模型B Mises等效应力图

由图14、图15变形云图，可以看出模型A最大变形1.245 mm，最大变形位于轴承座板的外侧两端红色区域，且变形区域很小。模型B最大变形1.817 mm，最大变形位于筋板和侧板连接处红色区域，且侧板有很大区域发生变形。

图14 模型A变形云图

图15 模型B变形云图

从以上分析的结果可以看出，在用料接近的前提下，施加相同大小的作用力，模型A的最大等效应力小于模型B的最大等效应力，整体结构没有超过Q235-A屈服强度，并且模型A变形量小于模型B，变形区域也很小。因此模型A的结构优于模型B的结构。

3 结论

通过对刮板机中间段结构的优化设计，减少了设备耗材，降低了制作工艺难度，设备运行阻力大和噪声大的问题得到了有效解决。头尾轮采用装配式结构，生产制作以及后期维修成本大幅度降低。机头侧板结构优化后，设备传动运行更加稳定，故障明显减少。这些关键结构的创新与优化设计，使得刮板机运行平稳，延长了使用寿命，从而带来一定的经济效益。