吳堯龍 鄭月參 王建南

摘要：我國煤炭開采量不斷加大，促進了刮板輸送機的快速發(fā)展。到目前為止，已有很多學者對刮板輸送機的技術(shù)發(fā)展進行了大量研究。針對刮板輸送機的發(fā)展趨勢，詳細闡述了我國刮板輸送機的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，介紹了刮板輸送機的主要分類，重點指出了未來刮板輸送機技術(shù)研究的四個關(guān)鍵點，即加強基礎(chǔ)理論研究、使用和研制新型材料、改進關(guān)鍵部件的加工工藝、設(shè)計研發(fā)綜采面刮板輸送機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，并指出了未來刮板輸送機發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：刮板輸送機;驅(qū)動鏈輪;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;研究分析

引言

因煤礦井下工作環(huán)境復雜，刮板輸送機的傳動系統(tǒng)在長期負重工作時極易發(fā)生故障，輕者導致刮板輸送機運行效率降低，影響煤礦井下的綜采作業(yè)速度，嚴重者甚至造成人員傷亡事故。據(jù)統(tǒng)計，在煤礦井下刮板輸送機的事故中，鏈傳動系統(tǒng)的鏈環(huán)斷裂、鏈輪破損事故占到了鏈傳動事故的60%以上，給煤礦生產(chǎn)企業(yè)的正常生產(chǎn)造成了極大的影響，因此迫切需要對鏈傳動系統(tǒng)的斷鏈原因進行分析并針對性的制定結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，降低鏈傳動系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，提升煤礦井下的綜采作業(yè)效率。

1鏈輪傳動特點分析

刮板輸送機作為一種重要的往復式輸送裝備，在重載條件下運行，存在比較明顯的結(jié)構(gòu)損耗。刮板輸送機結(jié)構(gòu)特點決定了其傳動鏈條系統(tǒng)在工作過程中會受到周期性變化的載荷作用，同時會受到落煤對其所產(chǎn)生的動載荷作用，可見刮板輸送機所承受的隨機載荷較大，其中部槽容易變形或刮板鏈條損耗加重，使用壽命大大降低。SGB380型刮板輸送機的傳動系統(tǒng)為雙驅(qū)動輪型，機頭參與嚙合的鏈條平環(huán)在自身重力、摩擦力以及鏈輪驅(qū)動力作用下產(chǎn)生滑移，這也加重了鏈條與鏈輪之間的磨損。在整個嚙合的過程中，鏈條與鏈輪之間始終處于接觸狀態(tài)，按鏈條與齒輪嚙合的動作的不同可以分為初始嚙合狀態(tài)、嚙合狀態(tài)、嚙出狀態(tài)。

2驅(qū)動鏈輪磨損失效分析

驅(qū)動小齒輪的主要失效形式是磨損、擠壓和齒斷裂。磨損可分為內(nèi)部磨削材料磨損和表面疲勞磨損，疲勞磨損是由于接觸表面上的最大壓力應(yīng)力以及圓形鏈接觸鏈輪巢時表面層下的最大剪切應(yīng)力。很長一段時間后，在剪切應(yīng)力作用下，接觸表面會出現(xiàn)裂縫，導致表面磨損。粒子磨損是由于鏈輪與圓形鏈之間的摩擦造成的，該摩擦是由鏈輪工作時的硬粒子引起的，從而導致磨料磨損。驅(qū)動小齒輪的磨損與它的壽命直接相關(guān)，驅(qū)動小齒輪工作越穩(wěn)定，鏈輪的壽命就越長。

3刮板輸送機驅(qū)動鏈輪結(jié)構(gòu)接觸分析

3.1鏈輪三維模型建立

為進一步掌握鏈輪在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能，結(jié)合SGZ1000型礦用刮板輸送機中鏈輪為分析對象，采用Solidworks軟件，對其進行了三維模型建立。在建模過程中，為提高整個分析過程的精度和分析速度，將鏈輪中的圓角、倒角、過渡圓弧等特征進行了模型簡化，僅保留了鏈輪中輪齒、中心軸、鍵槽等關(guān)鍵部位。同時，對鏈輪中的較小非關(guān)鍵圓孔也進行了模型簡化。將建立的鏈輪三維模型保存為stp格式后，導致如ABAQUS軟件中，對鏈輪進行仿真模型建立。在軟件中，首先將鏈輪的材料設(shè)置為Q235材料，其材料的關(guān)鍵性能參數(shù)如表1所示。同時，由于鏈輪為實體結(jié)構(gòu)，故在軟件中對鏈輪進行了實體單元設(shè)置，網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格單元，網(wǎng)格大小為10mm。同時，將鏈輪與鏈條之間進行了接觸設(shè)置，并對鏈輪中部軸孔進行了旋轉(zhuǎn)約束設(shè)置。在鏈輪上施加了牽引作用力。整個模型的分析時間設(shè)置為15min，開展了鏈輪在不同工況下的結(jié)構(gòu)強度分析。

3.2接觸、邊界條件、載荷的設(shè)置

套用負載之前，必須完成節(jié)點和單位元件的設(shè)定。指定1個鏈輪和10個環(huán)形鏈元件。鏈輪齒與鏈連結(jié)之間以及鏈連結(jié)之間的接觸設(shè)定為自動曲面接觸演算法，而無需手動設(shè)定接觸方向。靜態(tài)摩擦系數(shù)和動態(tài)摩擦系數(shù)分別為0.3和。0.2定義。根據(jù)脫料輪的實際行駛情況，計算拉力f = 7.3 kn，轉(zhuǎn)速v = 0.76m/s。假定鏈輪沿z軸逆時針方向，速度為64.3 r/min，驅(qū)動端為鏈輪的頂部。仿真計算時間設(shè)置為0.1s，分為22個子步驟。

3.3鏈輪傳動過程數(shù)值模擬及接觸分析

在刮板輸送機運行過程中，依靠齒輪傳動必然涉及到齒輪的磨損和壓潰以及鏈條和鏈環(huán)之間的接觸受力，因此對其進行動態(tài)數(shù)值模擬研究其力學特性就顯得尤為重要。數(shù)值模擬計算過程一般有三步，即數(shù)值模型的預(yù)處理、模型的計算以及后處理三步。選用ABAQUS軟件對傳動過程進行接觸動力學分析。ABAQUS軟件在計算非線性運動的過程中有明顯的優(yōu)勢，因此被大量應(yīng)用于工程的仿真與模擬計算中。在刮板輸送機運動過程中，因為設(shè)備為非線性動態(tài)運行，當慣性力隨時間變化很快時就需要做動力學分析計算，而ABAQUS軟件根據(jù)實際工程應(yīng)用而生，在處理非線性動態(tài)問題方面優(yōu)勢明顯，因此采用ABAQUS軟件。

3.4驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈的嚙合

齒廓曲線半徑、齒根曲線半徑和鏈灰姑娘曲線的大小會導致驅(qū)動小齒輪和圓鏈嚙合過程中整個網(wǎng)袋形狀發(fā)生變化。當齒形狀圓弧的半徑增加時，輪廓圓弧和圓的交點高于原始交點，從而減小角度并顯著增加它們之間的力。如果齒根弧的半徑增加，并且齒輪廓弧的半徑保持不變，則鏈輪和圓鏈之間的接觸面積也會增大，從而增加了斷裂的風險。在驅(qū)動小齒輪的工作過程中，在拉伸作用下，嚙合圓鏈從原始圓切換為橢圓環(huán)。造型變更會降低齒根弧半徑和鏈灰姑娘弧半徑，同時增加中心弧的中心距離，最終導致鏈輪和鏈灰之間的地面接觸面積增加。接觸面積的擴大似乎減少了磨損。但是，在實際工作中，鏈輪將更多地接觸鏈條灰的一側(cè)，并且載荷將增大，從而導致地面接觸對磨損的影響。

4鏈輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進

1）將鏈輪的結(jié)構(gòu)材料設(shè)置為屈服強度更高的Q345材料，使其在使用過程中具有更高的結(jié)構(gòu)強度;2）將鏈輪的厚度增加5mm，輪齒根部與輪齒連接處增加圓弧過渡，過渡圓弧設(shè)置為R5mm，能有效減小此區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象;3）增加輪齒的厚度5mm，鏈窩圓弧半徑增加2mm，可提高鏈輪的結(jié)構(gòu)強度;4）定期對鏈輪與鏈條之間的嚙合接觸部位的煤石或煤灰進行清理，保證嚙合處具有更低的摩擦力，減少鏈輪的磨損程度;5）加強對鏈輪作業(yè)時自身結(jié)構(gòu)的維護保養(yǎng)，當發(fā)生鏈輪出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂、變形或斷裂等失效現(xiàn)象時，需及時對其進行維修，以避免刮板輸送機出現(xiàn)更大結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。6）分析了傳動小齒輪的磨損形式和失效原因，給出了疲勞損傷與壽命之間的關(guān)系曲線以及有助于提高傳動齒輪壽命的損傷總和公式。7）通過對根圓半徑、根曲線半徑和鏈灰姑娘曲線半徑進行正交試驗，找出了最有意義的參數(shù)，并給出了相應(yīng)的根圓半徑、根曲線半徑和鏈灰姑娘曲線半徑曲線。8）對優(yōu)化前后應(yīng)力峰值進行分析后發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化鏈輪的最大應(yīng)力值減小為156.7 MPa，而最大應(yīng)變?yōu)?.078mm，最大應(yīng)力減小6.57%，最大應(yīng)力減小6.84%。。

結(jié)束語

通過對礦用刮板輸送機鏈輪傳動系統(tǒng)建模以及鏈輪傳動過程數(shù)值模擬及接觸分析得到，在鏈環(huán)受力運行的過程中，中間鏈環(huán)因為應(yīng)力集中受力最大，因此位移變化也最大，在長期運行中容易被磨損破壞，影響刮板輸送機的運輸效率，因此礦井應(yīng)該選擇合適型號的刮板輸送機。

參考文獻

[1]司利鵬.刮板輸送機驅(qū)動鏈輪接觸應(yīng)力分析與優(yōu)化改進[J].煤炭與化工，2020，43（07）：82-84.

[2]王新成.刮板輸送機多電機驅(qū)動功率平衡控制系統(tǒng)的研究[J].機械管理開發(fā)，2020，35（04）：75-76+79.

[3]王旭峰，梁影.刮板輸送機動張力特性分析與仿真[J].煤炭科學技術(shù)，2019，47（S2）：59-63.

[4]蘇華陽.刮板輸送機驅(qū)動鏈輪的動力學分析及其優(yōu)化設(shè)計[D].太原理工大學，2019.

[5]毛君，楊辛未，陳洪月，宋秋爽.刮板輸送機的動態(tài)特性分析[J].機械設(shè)計，2018，35（06）：47-53.