关于刮板输送机驱动链轮的静力学分析及其优化研究

2022-05-14毕国生

机械管理开发 2022年3期

毕国生

（潞安化工集团慈林山煤业公司慈林山煤矿，山西长子 046600）

引言

刮板输送机是采煤工作面中非常重要的机电装备，能够实现煤矿物料的连续运输，主要作用是将采煤机开采得到的煤矿物料输送到带式输送机或者破碎机中，其性能好坏会对煤矿开采效率产生重要的影响[1]。随着煤矿领域技术水平的不断提升，刮板输送机也朝着大型化、高效化方向发展，这给刮板输送机自身机械结构提出了更高的要求，有必要对其关键机械结构件进行升级改造[2]。驱动链轮是刮板输送机中非常重要的传动结构件，工作时需要承受非常大的作用力，并且受力具有周期性的特点，容易产生疲劳损伤[3-4]。因此，有必要对刮板输送机的驱动链轮进行分析和研究，在此基础上对其结构进行优化改进[5]。本文主要以SGB420/17 型刮板输送机为研究对象，对驱动链轮进行静力学分析并开展结构优化改进工作，取得了很好的应用效果。

1 驱动链轮静力学模型的建立

1.1 三维模型的建立

本文主要以SGB420/17 型刮板输送机驱动链轮为研究对象，该型号设备的装机功率和输送速度分别为17 kW 和50 t/h，设备整体长度为50 m，采用边双链的形式进行驱动，其中链条的规格为Φ24 mm×50 mm，工作时链条的运行速度为0.78 m/s。驱动链轮方面，其总齿数为7 个，节圆直径和外圆直径分别为225 mm 和253 mm，立环槽直径和宽度分别为164 mm 和20 mm。齿形弧半径和齿根圆弧半径分别为29 mm 和7 mm，链窝弧半径和长度分别为25 mm 和82 mm，短齿厚度为46 mm。为了更加真实地反映驱动链轮的受力结果，在建立模型时严格按照驱动链轮的实际尺寸进行建模，采用的建模工具为Solidworks 软件。另一方面，为了在确保计算结果精度的同时，缩短模型计算时间，对于驱动链轮中的一些细小结构，比如倒圆、倒角等均作忽略处理。如图1 所示为SGB420/17 型刮板输送机驱动链轮三维几何模型。

图1 驱动链轮的三维几何模型

1.2 有限元模型的建立

将Solidworks 软件建立的三维模型保存为IGS通用格式后，导入到Ansys 软件中进行有限元模型的建立。

首先，需要对模型的材料属性进行设置。驱动链轮使用的材料为30CrMnTi，属于合金钢，具有相对很好的强度，其密度大小为7 860 kg/m3，弹性模量和泊松比分别为206 GPa 和0.3。另外，为了更好地完成驱动链轮的静力学分析工作，还建立了链条的模型，其材料为24MnCrNiMo，密度与驱动链轮材料相同，弹性模量和泊松比分别为210 GPa 和0.25。

其次，需要进行网格划分。网格类型和数量会对模型计算过程和结果产生比较重要的影响。为了保障结果进度的同时，缩短模型计算时间，本研究中采用局部网格细化处理，即链轮中与链条接触的部位网格划分的较小，其他部位网格划分的较大。选用的是六面体网格，最终划分得到了网格数量和节点数量分别为15 324 和17 693。如下页图2 所示为驱动链轮与链条的配合及网格划分情况。

图2 驱动链轮与链条的配合及网格划分情况

最后，边界条件设置。将链条与驱动链轮之间的摩擦系数设置为0.25，沿着链条方向上施加的作用力大小为7.3 kN。

2 驱动链轮静力学结果分析

完成有限元模型的建立工作以后，就可以调用软件中的分析计算模块进行计算。如图3 所示为刮板输送机驱动链轮的静力学有限元分析结果。由于驱动链轮工作时需要不停地旋转，所以链轮的应力状态时刻发生变化。图3 中所示为部分链齿的受力情况最大时的情形。由图3 可以看出，链轮的应力分布非常不均匀，应力主要集中在为数不多的链齿上，绝大部分链齿的应力几乎为零。即便在同一个链齿上，不同位置的应力分布也非常不均匀。应力主要集中在链齿的链窝部位，更具体的是在链窝弧面靠近中间部位的应力比较大，最大的应力值为220 MPa。

图3 驱动链轮的静力学分析结果

刮板输送机驱动链轮工作时需要做旋转周期运动，意味着链齿链窝部位的应力集中现象也会呈现周期性变化。使得驱动链轮链齿部位特别容易出现疲劳损伤，从而加剧该部位的磨损，降低驱动链轮的运行可靠性，缩短其使用寿命。基于此，有必要对驱动链轮链齿链窝部位的结构进行优化改进，在确保外部工作环境相同的情况下，降低链窝部位的应力集中现象。

3 驱动链轮结构优化研究

3.1 优化思路

已有的研究表明，驱动链轮所有的结构参数中，短尺厚度、齿根圆弧半径、齿形圆弧半径以及链窝弧半径对结构的受力情况影响最为显著[6]。因此，本研究中选用以上四个结构参数作为优化变量，以结构件的应力集中最大值为优化目标开展优化工作。如表1 所示为四个优化变量的变化范围。

表1 优化变量及其变化范围 mm

优化工作仍然利用Solidworks 和Ansys 软件进行，基本的优化思路就是根据以上四个优化变量的取值进行匹配，并根据匹配的结构参数建立有限元模型进行分析，对不同组合形式的计算结果进行对比，以驱动链轮应力最小作为最终的优化结果。

3.2 优化结果

经过分析计算后发现当短尺厚度、齿根圆弧半径、齿形圆弧半径以及链窝弧半径分别为46 mm、7 mm、29 mm 和24 mm 时，驱动链轮的应力集中现象最不显著，将以上结构参数作为最终的结果。如图4所设为优化改进后的刮板输送机驱动链轮静力学分析结果。由图4 可以看出，优化改进前后驱动链轮的应力分布规律基本相同，即不同部位的应力分布呈现出严重的不均匀性。只有局部位置出现了应力集中现象，而绝大部分位置的应力都相对要小很多。另外，出现应力集中的部位仍然在链轮链窝区域。进一步对比可以发现，结构优化改进后应力集中的位置出现了些许偏移，应力集中的最大值为165 MPa。

图4 优化改进后驱动链轮的静力学分析结果

通过对驱动链轮的结构尺寸进行优化改进，使得该结构的最大应力值出现了很大程度的降低，由优化前的220 MPa 降低到了优化后的165 MPa，降低幅度达到了25%。考虑到驱动链轮工作时需要承受周期性载荷，应力集中现象的削弱，意味着结构件更不容易出现应力损伤现象，能显著延长结构件的使用寿命，降低运行过程中出现故障的概率。

4 应用效果分析

为了验证驱动链轮结构优化方案的实际应用效果，将以上优化改进方案应用到SGB420/17 型刮板输送机中，并对其实际运行效果进行了连续三个月时间的现场测试。结果发现，由于没有对驱动链轮的整体结构做大的改进，只是对局部结构尺寸进行了优化，所以驱动链轮整体运行非常稳定、良好，整个现场测试期间没有出现明显的故障问题。对技术改进前后驱动链轮结构的故障率进行统计发现，通过此次技术改造，使得驱动链轮部位的故障率降低了30%以上。故障率的降低，不仅为煤矿企业节省了大量的设备维护保养成本，同时还延长了设备的开机时间，为煤矿开采效率的提升奠定了坚实的基础。综上，此次刮板输送机驱动链轮的技术改进工作，达到了预期效果，为煤矿企业创造了良好的经济效益。