刮板输送机驱动链轮结构改进优化
2022-06-13雷春福
雷春福
(山西汾西正文煤业有限责任公司，山西 孝义 032302)
刮板输送机是煤矿井下采掘运输的主要设备之一，刮板输送机运行效率直接影响井下生产[1-2]。刮板输送机正常运行时依靠机头驱动装置提供动力，链轮往往承受较大作用力，在使用过程中容易磨损导致失效。刮板输送机链轮失效的主要类型有压溃、磨损以及断裂等，压溃主要是链轮受力过大或者人员操作不规范等导致，特别是新的链轮在较大载荷作用下表面容易出现较为明显的塑性变形，长时间就会出现压溃失效情况；磨损导致链轮厚度变薄、强度以及承载能力等变差；断裂整体发生率较低，多集中发生在启动初期，主要是启动力过大或者载荷过大等导致[3-7]。降低链轮在使用过程中的磨损可提高设备使用寿命，提高刮板输送机整体工作效率[8-9]。文中以山西某矿30905综采工作面内布置的SGZ-1000/3×1000刮板输送机为工程实例，采用数值模拟技术对驱动链轮受力进行分析，并针对性进行改进优化。
1 刮板输送机链轮受力分析
1.1 啮合过程分析
刮板输送机运行期间，链轮运行工况复杂，链轮、圆链环间磨损较为明显。为掌握链轮运行期间受力情况，需要对链轮啮合过程进行分析。链轮啮合过程中，齿轮圆弧半径、链窝弧半径以及齿根圆弧半径等参数会使得啮合齿窝形态变化，给链轮、圆链环啮合效果带来影响。当增加齿轮圆弧半径时，链轮、圆链环交汇位置更为靠上，导致形成角度减少，使得链轮、圆链环间受力更为明显；在保持齿根圆弧半径不变而增大圆链环半径时，则链轮、圆链环啮合侧面积增加，增大了压溃事故风险。
链轮在正常运行时，链轮齿给圆链环施加一定的向前牵引力，从而使得刮板链往返移动；在链轮运行时首先在链窝侧面与圆链环圆弧接触之后全部咬合。
1.2 模拟模型构建
根据采面使用的SGZ-1000/3×1000实际条件，采用Workbench软件构建链轮、圆链环啮合模拟模型，并设定模拟参数，将模拟网格按0.01 mm均匀划分。齿轮正常运转时，将链轮、圆链环间摩擦系数设定为0.2，具体模型见图1。在模型上施加的载荷依据现场实际情况确定，链轮上施加的拉应力F=7.3 kN、链轮转动线速度为0.76 m/s、链轮转动副载转速64.3 r/min。整个模拟仿真时间控制在0.05 s，设置步长为6。
图1 链轮、圆链环啮合模拟模型
1.3 模拟结果分析
链轮、圆链环啮合期间受力情况如图2所示。从图2模拟结果看出，链轮在正常运行时链窝侧面、底面出现不同程度应力集中问题，其中最大应力达到712.5 MPa。为详细掌握链轮运行时链窝侧面、底面受力情况，对不同链轮旋转角时的受力情况进行分析。将链轮链窝底面平行平面时角度设定为0°，并在后续模拟期间按照2°间隔记录一次应力数据，从而得到链轮与圆链环正常接触时的受力情况。链轮正常工作时链窝底面及侧面受力监测结果如图3所示。
图2 链轮、圆链环啮合期间受力情况(MPa)
图3 链轮正常工作时链窝底面及侧面受力监测结果
从图3中看出，随着链轮旋转角增加，链轮链窝底面及侧面受力呈增加趋势，其中当链轮旋转至40°时，链轮受力呈明显增加趋势；链轮旋转至此位置时链轮齿与圆链环全部啮合。在应力反复影响下，链轮材料容易出现磨损以及疲劳损伤，给链轮正常运行带来一定影响。
2 链轮结构优化及分析
啮合齿窝形态受齿轮圆弧半径、链窝弧半径以及齿根圆弧半径等因素影响，为简化分析难度，在链轮结构优化时控制单一变量不变，对链轮在不同角度下的受力情况进行仿真分析，并对链轮结构参数修改前后链轮受力情况进行分析，具体结果如图4所示。
图4 链轮结构参数修改前后链轮受力情况
通过图4看出，链轮受力与齿根圆弧、链窝弧半径等有密切关联，而对齿根圆半径变化不敏感。在后续的链轮优化过程中，应重点从齿根圆弧以及链窝弧半径优化出发，提高链轮使用寿命并减少链轮使用过程中的磨损量。
链轮结构不同参数时齿轮受力模拟结果见表1。
表1 模拟分析结果
根据表1所示确定最佳优化参数，具体结构规格为：齿根圆半径7 mm、链窝弧半径24 mm、齿根圆弧半径30 mm，按照上述优化参数对驱动链轮受力进行进行分析，具体结果如图5所示。
从图5看出，链轮在与圆链环啮合过程中整体受力较为均衡，仅在链窝侧部出现一定程度应力集中，应力峰值为616.7 MPa，最大应变量0.003 5 mm，应力峰值以及应变量等整体较小，较优化前明显降低。表明，通过对链轮结构进行优化，可起到改善链轮受力并提高链轮整体使用寿命的目的。
图5 链轮结构优化后示意
3 结 语
1) 在刮板输送机驱动部链轮与圆链环啮合期间，链窝侧面与齿形圆接触部分出现应力集中，最大应力值可达到712.5 MPa。
2) 模拟发现链轮旋转40°，链轮受力呈明显增加趋势，并确定最大受力位置；链窝侧面摩擦损失较为明显。
3) 链轮应力受齿根圆弧、链窝弧半径影响明显，受齿根圆半径变化影响不明显。在后续优化过程中应注重点注重齿根圆弧以及链窝弧半径参数，以便减少链轮局部受力强度并提高链轮整体使用寿命。
