張林生，羅銀貴，王洪祥

（1.鄭州清源智能裝備科技有限公司，鄭州450001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150001）

0 引 言

煤礦資源在我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中起到舉足輕重的作用，刮板運(yùn)輸作為煤礦開(kāi)采綜合工作面最主要的運(yùn)輸方式，在煤礦生產(chǎn)與建設(shè)中具有重要的作用[1]?，F(xiàn)階段我國(guó)先后設(shè)計(jì)和制造出一些新型的重型刮板輸送機(jī)，在運(yùn)距、運(yùn)量和總裝機(jī)功率等方面已經(jīng)同國(guó)外相近，但在設(shè)備性能、使用壽命和環(huán)境適應(yīng)性等方面仍存在著較大差距[2]。刮板鏈作為重要的受力運(yùn)動(dòng)部件，因?yàn)樵O(shè)計(jì)制造、使用維護(hù)及工作面特殊工作條件等方面的影響，刮板鏈時(shí)常發(fā)生跳鏈、斷鏈現(xiàn)象，嚴(yán)重地影響了正常生產(chǎn)，所以對(duì)這些零件材料的強(qiáng)度、韌性、耐磨性和抗腐蝕性都提出了很高的要求。刮板鏈一般采用的是圓環(huán)鏈，通過(guò)鋸齒接鏈環(huán)連接組成完整的牽引鏈，在工作過(guò)程中刮板連續(xù)運(yùn)輸車運(yùn)輸距離較長(zhǎng)，圓環(huán)鏈在拉力作用下容易發(fā)生變形，導(dǎo)致整條牽引鏈長(zhǎng)度發(fā)生變化，為防止跳鏈現(xiàn)象的發(fā)生，圓環(huán)鏈重載部分的總伸長(zhǎng)量應(yīng)小于一個(gè)鏈節(jié)。牽引鏈中的接鏈環(huán)也是整個(gè)刮板鏈的薄弱環(huán)節(jié)，易發(fā)生斷鏈現(xiàn)象。另外，溜槽架為左右兩部分，通過(guò)回轉(zhuǎn)銷軸連接在一起，在溜槽架上安裝彈簧板構(gòu)成刮板轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)將相鄰兩車連接在一起，工作時(shí)溜槽架受車體拉力、煤炭與溜槽摩擦力和煤炭重力的共同作用，極易損壞。因此，本文利用SolidWorks軟件對(duì)圓環(huán)鏈、接鏈環(huán)和溜槽架進(jìn)行靜力學(xué)分析，校核刮板連續(xù)運(yùn)輸車中這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)能否滿足強(qiáng)度和剛度要求[3-4]。

1 圓環(huán)鏈的靜力學(xué)分析

所用圓環(huán)鏈尺寸規(guī)格為30×108，內(nèi)寬為34 mm，外寬為94 mm，外長(zhǎng)為168 mm，材料為高強(qiáng)度合金鋼，其屈服強(qiáng)度、彈性模量和泊松比分別為620.422 MPa、210 GPa和0.28。首先利用SolidWorks軟件建立的圓環(huán)鏈的三維模型（如圖1），為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，只對(duì)其中的一個(gè)鏈節(jié)進(jìn)行分析，將圓環(huán)鏈的中部用鉸鏈固定，限制4個(gè)自由度，兩端施加拉力，所施加拉力為250 kN，其方向如圖2所示。圓環(huán)鏈的網(wǎng)格化劃分如圖3所示，通過(guò)計(jì)算得到的位移、應(yīng)力和安全系數(shù)云圖如圖4～圖6所示。

圖1 圓環(huán)鏈三維模型

圖2 圓環(huán)鏈載荷施加方向

圖3 圓環(huán)鏈網(wǎng)格化劃分

圖4 圓環(huán)鏈位移云圖

圖5 圓環(huán)鏈應(yīng)力云圖

圖6 圓環(huán)鏈安全系數(shù)云圖

設(shè)smax為最大位移量，smin為最小位移量，L為刮板鏈重載段的長(zhǎng)度，P為圓環(huán)鏈節(jié)距。則圓環(huán)鏈在運(yùn)行阻力的作用下變形量Δ[5]為

假定刮板連續(xù)運(yùn)輸車的溜槽各處運(yùn)行阻力相同，且圓環(huán)鏈的伸長(zhǎng)量與所受拉力成正比，則刮板鏈重載段所受的拉力呈線性變化，即圓環(huán)鏈由尾車的驅(qū)動(dòng)端到頭車的從動(dòng)端的各個(gè)鏈節(jié)伸長(zhǎng)量線性減少，刮板鏈重載段總伸長(zhǎng)量[5]為

經(jīng)計(jì)算求得Δ=0.1185 mm，刮板鏈重載段總伸長(zhǎng)量ΔL≈60.347 mm。由圖可見(jiàn)，圓環(huán)鏈兩端受拉力作用時(shí)，盡管在圓弧段與直線段接縫處會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，但因?yàn)樽畲髴?yīng)力σmax=324.799 MPa＜[σ]，安全系數(shù)最小值為1.910 17，且圓環(huán)鏈重載段的總伸長(zhǎng)量小于鏈節(jié)長(zhǎng)度，所以圓環(huán)鏈能滿足強(qiáng)度和剛度要求。

2 接鏈環(huán)的靜力學(xué)分析

刮板連續(xù)運(yùn)輸車整條牽引鏈以圓環(huán)鏈為主體，用接鏈環(huán)連接，實(shí)現(xiàn)刮板鏈循環(huán)運(yùn)動(dòng)，但發(fā)生斷鏈也是最常見(jiàn)的故障之一，因此接鏈環(huán)成為牽引鏈中的薄弱環(huán)節(jié)。本文所用接鏈環(huán)為鋸齒式，材料為高強(qiáng)度合金鋼X38CrMoV4-1，其屈服強(qiáng)度、彈性模量和泊松比分別為1910 MPa、215 GPa和0.28。利用SolidWorks軟件建立的接鏈環(huán)三維模型（如圖7），接鏈環(huán)的中部用鉸鏈固定，限制4個(gè)自由度，兩端施加拉力，所施加拉力為250 kN，其方向如圖8所示。接鏈環(huán)的網(wǎng)格化劃分如圖9所示，通過(guò)計(jì)算得到的位移、應(yīng)力和安全系數(shù)云圖如圖10～圖12所示。

圖7 接鏈環(huán)三維模型

圖8 載荷施加方向

圖9 接鏈環(huán)網(wǎng)格化劃分

圖10 接鏈環(huán)位移云圖

圖11 接鏈環(huán)應(yīng)力云圖

圖12 接鏈環(huán)安全系數(shù)云圖

經(jīng)計(jì)算求得Δ=smax-smin=0.13814 mm，這表明接鏈環(huán)與圓環(huán)鏈變形量的計(jì)算結(jié)果相近，接鏈環(huán)剛度與圓環(huán)鏈比較匹配。對(duì)比圖5和圖11可知，在接鏈環(huán)銜接處存在棱角，該處應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，這對(duì)牽引鏈的使用壽命會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中應(yīng)加以注意。σmax=792.841 MPa＜[σ]，安全系數(shù)最小值為1.794 84，可知接鏈環(huán)也能滿足強(qiáng)度要求。

3 溜槽架的靜力學(xué)分析

溜槽架的材料為Q235，其屈服強(qiáng)度、彈性模量和泊松比分別為205 MPa、210 GPa和0.3。利用SolidWorks軟件建立的溜槽架三維模型（如圖13），限制5個(gè)自由度，使溜槽架只能沿拉力方向發(fā)生變形或位移。為了簡(jiǎn)化分析，將摩擦力和重力忽略不計(jì)，僅考慮溜槽架所受的拉力作用，當(dāng)刮板連續(xù)運(yùn)輸車沿著最大傾角向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)溜槽架所受拉力最大。設(shè)M為刮板連續(xù)運(yùn)輸車整車質(zhì)量，β為煤礦巷道傾角，則傾角最大時(shí)溜槽架所受拉力[5]為

經(jīng)計(jì)算求得F=330 kN。載荷施加方向如圖14所示，溜槽架的網(wǎng)格化劃分如圖15所示，通過(guò)計(jì)算得到的位移、應(yīng)力和安全系數(shù)云圖如圖16～圖18所示。經(jīng)有限元仿真計(jì)算求得Δ=smax-smin=0.15404 mm，變形量足夠小，滿足剛度要求。由圖17可見(jiàn)，溜槽架的應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，σmax=122.761 MPa＜[σ]，最小安全系數(shù)為4.973 74，可知溜槽架也能夠滿足強(qiáng)度要求。

圖13 溜槽架三維模型

圖14 載荷施加方向

圖15 溜槽架網(wǎng)格劃分

圖16 溜槽架位移云圖

4 結(jié) 語(yǔ)

圖17 溜槽架應(yīng)力云圖

圖18 溜槽架安全系數(shù)云圖

本文利用SolidWorks軟件對(duì)刮板連續(xù)運(yùn)輸車中關(guān)鍵部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，并對(duì)刮板連續(xù)運(yùn)輸車中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核，結(jié)果表明所用圓環(huán)鏈、接鏈環(huán)和溜槽架均能滿足剛度和強(qiáng)度要求。通過(guò)對(duì)刮板連續(xù)運(yùn)輸車中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，可以優(yōu)化刮板鏈和溜槽架的結(jié)構(gòu)，提高刮板連續(xù)運(yùn)輸車使用壽命和可靠性，并為我國(guó)大型刮板連續(xù)運(yùn)輸車關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。