◎ 李召峰，王 錚，賈 煜，王佩琦，王振民

（鄭州中糧科研設(shè)計院有限公司，河南 鄭州 450001）

刮板輸送機(jī)可用于水平、傾斜和垂直方向輸送散體物料，特別適用于油脂加工廠含油物料的輸送和糧庫原糧的輸送。刮板輸送機(jī)的主要優(yōu)點是使用范圍廣，輸送物料的種類多；刮板輸送機(jī)密閉性非常好，輸送過程不漏灰、漏料，能防塵、防水；工藝布置十分靈活，容易實現(xiàn)多點進(jìn)料或多點出料；安裝簡單，操作、維修容易，運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

1 刮板機(jī)概況

1.1 刮板機(jī)結(jié)構(gòu)分析

刮板輸送機(jī)種類繁多，形式各異，可根據(jù)不同的原則加以分類。按照用途及使用范圍可分為普通型和特殊型，普通型刮板機(jī)用于輸送一般性能的粉塵狀、小顆粒狀和小塊狀物料，特殊型刮板機(jī)輸送機(jī)用于輸送有某些特殊性能的散裝物料。按固定方式分類可分為固定式和移動式，刮板輸送機(jī)的機(jī)體和驅(qū)動裝置均與基礎(chǔ)固接在一起，無法搬動稱為固定式。移動式較少見，一般只對機(jī)槽寬度較小、輸送距離不長的水平型刮板機(jī)采用移動式結(jié)構(gòu)。按照承載性質(zhì)可分為重型和輕型，輸送物料容重γ＞9.8 kN·m-3的為重型，輸送物料容重γ≤9.8 kN·m-3的為輕型。按照輸送鏈條的結(jié)構(gòu)形式可分為模鍛鏈、滾子鏈和焊接彎板鏈[1]。本文主要研究普通型固定式輕型焊接彎板鏈刮板機(jī)，利用Inventor進(jìn)行了三維建模，如圖1所示。

1.2 工作過程分析

刮板輸送機(jī)頭尾鏈輪分別安裝于頭部和尾部，頭部鏈輪主要用來驅(qū)動輸送鏈條運(yùn)行，尾部鏈輪主要用來調(diào)節(jié)輸送鏈條的松緊程度。輸送鏈條和頭尾輪齒形互相嚙合，安裝在殼體內(nèi)，刮板焊接在輸送鏈條兩側(cè)，并在刮板上安裝超高分子聚乙烯板帶動物料在殼體內(nèi)行走，通過連續(xù)轉(zhuǎn)動的頭輪最終實現(xiàn)物料輸送。刮板輸送機(jī)的傳動裝置設(shè)計在頭部，可以靈活布置其方式，張緊裝置設(shè)計在尾部，通過轉(zhuǎn)動兩根絲桿帶動尾部兩側(cè)滑動板滑動調(diào)節(jié)鏈條的張緊。刮板機(jī)的進(jìn)料口設(shè)計在尾部上蓋處，出料口設(shè)計在頭部底板。物料從進(jìn)料口進(jìn)入刮板機(jī)機(jī)殼，鏈條刮板首先帶動下層物料向機(jī)頭移動，上層物料靠下層物料的內(nèi)摩擦力移動，最終在機(jī)頭出料口卸出[2]。

刮板機(jī)在運(yùn)行過程中，不僅噪音大，阻力還非常大。因此，必須對中間段結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低噪音，減小運(yùn)行阻力，從而降低整條設(shè)備的功率。頭尾鏈輪作為埋刮板輸送機(jī)重要的承力結(jié)構(gòu)件，需要更高的可靠性及使用壽命。在刮板機(jī)所有的故障問題中，頭尾鏈輪的磨損失效是最常見一種。針對頭尾鏈輪磨損嚴(yán)重、壽命較短的問題，有必要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提升頭尾輪結(jié)構(gòu)的耐磨性能。

2 刮板機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計

2.1 中間段創(chuàng)新設(shè)計

目前國內(nèi)刮板輸送機(jī)市場發(fā)展迅速，國外先進(jìn)的輸送設(shè)備不斷充斥著國內(nèi)市場，其先進(jìn)性主要表現(xiàn)在埋刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)形式的改變。市場上現(xiàn)有刮板輸送機(jī)中間段結(jié)構(gòu)件大同小異（見圖2），在中間段原結(jié)構(gòu)中，U型槽板與圓鋼焊接組成托架，U型槽板不僅3面打孔還需要兩邊折彎，圓鋼兩端需要上車床打孔，打孔后還需要攻螺紋孔。耐磨鋼板作為導(dǎo)軌打孔后與導(dǎo)軌托架采用沉頭螺栓連接，組成導(dǎo)軌托架。這種結(jié)構(gòu)存在很多缺點，主要有以下3點。①整個中間段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，浪費原材料。②加工工藝多，U型槽板需要折彎、打孔，圓鋼兩端定位孔不僅需要精加工還要攻螺紋孔，制作導(dǎo)軌托架耗費大量工時。③中間段即使在裝配過程中保證導(dǎo)軌托架高度一致，在現(xiàn)場安裝過程也很難保證兩節(jié)連接處導(dǎo)軌在同一水平面。因此設(shè)備運(yùn)行需要較大的功率，噪聲也會很大。如果安裝誤差超過允許范圍，甚至可能拉斷輸送鏈條，嚴(yán)重可能損壞傳動裝置。

中間段原結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。針對刮板機(jī)目前市場結(jié)構(gòu)存在的問題，本次中間段設(shè)計了一種新型結(jié)構(gòu)。在中間段新結(jié)構(gòu)中，中間段導(dǎo)軌托架選擇合適材料、連接方式，嚴(yán)格準(zhǔn)確的設(shè)計以及易實現(xiàn)的制造工藝，進(jìn)行輕量化設(shè)計，保證刮板機(jī)輸送、安全等性能不降低。采用一體式導(dǎo)軌托架，減重的同時增加了強(qiáng)度。托架橫撐采用型材空心方管制作無需打孔折彎攻絲，托架兩端連接板采用激光下料，整個托架可在胎具上完成焊接，保證托架制作精度[3]。上導(dǎo)軌采用NM400材料,一端超出中間段20 mm并向下彎曲，兩根導(dǎo)軌成八字形結(jié)構(gòu)與托架方管焊接在一起，焊接時無需胎具，因為中間段兩塊側(cè)板與底板裝配完成后自成胎具，因此制作方便，并且裝配精度要求不高，導(dǎo)軌兩端開口大小誤差可以在1～20 mm內(nèi)，高低誤差1～15 mm以內(nèi)，能完美解決中間段連接處高低不平的問題，降低設(shè)備噪音、減小運(yùn)行阻力。另外本次結(jié)構(gòu)在底板中間鋪設(shè)耐磨鋼板作為下導(dǎo)軌，減少了輸送鏈條在運(yùn)行過程中與底板的接觸面積，也很好地起到了降噪減阻的作用。整體結(jié)構(gòu)用料少結(jié)構(gòu)簡單容易制作，經(jīng)濟(jì)效益顯而易見。

圖2 中間段原結(jié)構(gòu)圖

圖3 中間段新結(jié)構(gòu)圖

2.2 頭尾輪的創(chuàng)新設(shè)計

刮板機(jī)頭尾鏈輪齒形完全相同，唯一不同的就是輪轂內(nèi)孔直徑不同。由于輸送鏈條是通過頭輪旋轉(zhuǎn)帶動行走，而尾輪則是輸送鏈條帶動其旋轉(zhuǎn)的，因此頭尾輪磨損失效是很常見的。但是磨損的只是刮板機(jī)頭尾輪中與鏈條接觸的部分，即頭尾輪齒片，因此沒必要將刮板機(jī)頭尾輪整體更換。傳統(tǒng)的頭尾輪結(jié)構(gòu)整體更換時，首先需要拆除刮板機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾的蓋板，然后拆掉軸承以及密封圈，拿掉側(cè)板，取出頭尾軸組件，最后拔掉頭尾輪。安裝時需要用手拉葫蘆將頭尾輪組件吊裝到位，然后對軸線進(jìn)行找平，還要保證頭輪、尾輪軸互相平行并且垂直于輸送鏈條，最后組裝機(jī)頭尾。特別是對于機(jī)頭還要保證與驅(qū)動裝置的同軸度、水平度，因此安裝過程耗費很長時間。

本次頭輪創(chuàng)新設(shè)計采用裝配式頭尾輪，即輪轂（見圖4）與齒片（見圖5）采用裝配式結(jié)構(gòu)，輪轂與齒片采用專用鉸制孔用螺栓和防松螺母連接，裝配時鉸制孔螺栓需成對安裝，并且相鄰螺栓要正反安裝（見圖6），這種安裝方法既保證了整個頭輪齒形精度，又可防止齒片與輪轂在長時間的運(yùn)行過程中出現(xiàn)松動。齒片可單獨采用42CrMo制作，增加耐磨性。輪轂可繼續(xù)使用傳統(tǒng)45鋼制作，易加工整體非常經(jīng)濟(jì)實惠。另外，齒片采用剖分式結(jié)構(gòu)（見圖7），將整個齒片沿剖切線一分為二然后裝配在輪轂上[4]。本結(jié)構(gòu)由于每個零部件重量輕，并通過螺栓連接，因此裝配方便快捷。當(dāng)頭尾輪齒形磨損嚴(yán)重需要更換時，可以不用拆開整個機(jī)頭或者機(jī)尾，只需要拆掉上蓋板，松開輸送鏈條，就能直接更換鏈輪齒片，維修十分方便，又避免了因為整體更換使得其他完好的部件也被一起廢棄，造成不必要的浪費，節(jié)約了材料成本。

圖4 輪轂圖

圖5 齒輪圖

圖6 頭尾輪裝配示意圖

2.3 機(jī)頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

刮板機(jī)的驅(qū)動裝置一般安裝在機(jī)頭，因此設(shè)備運(yùn)行過程中鏈條的拉力主要通過頭輪傳遞給側(cè)板，優(yōu)化側(cè)板結(jié)構(gòu)，不僅可以增強(qiáng)機(jī)頭穩(wěn)定性，還可以使傳動更加平穩(wěn)，增加減速機(jī)、聯(lián)軸器等使用壽命。

圖7 齒片剖切示意圖

2.3.1 模型建立

利用Inventor軟件建立機(jī)頭側(cè)板的三維簡易模型，本次建立兩種常用模型A和模型B（見圖8、圖9），這兩種模型的總重量十分接近，并且板厚相同。利用Inventor軟件環(huán)境中應(yīng)力分析模塊，建立機(jī)頭側(cè)板的有限元模型[5-6]。通過應(yīng)力分析和最大變形量來選擇最佳的機(jī)頭側(cè)板結(jié)構(gòu)。

圖8 模型A示意圖

圖9 模型B示意圖

2.3.2 網(wǎng)格劃分

首先對機(jī)頭側(cè)板的材料屬性進(jìn)行定義，材料設(shè)置為常用的Q235-A，其彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.26，材料密度為7.85 kg·m-3。采用自動網(wǎng)格劃分方式對機(jī)頭側(cè)板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后模型A包含311 736個節(jié)點，186 400個元素，模型B包含204 430個節(jié)點，118 302個元素，如圖10、圖11所示。

圖10 模型A網(wǎng)絡(luò)劃分圖

圖11 模型B網(wǎng)絡(luò)劃分圖

2.3.3 機(jī)頭側(cè)板靜力學(xué)分析

對兩個模型施加相同約束，即固定側(cè)板兩端法蘭。在軸承座板施加相同大小的均布力，力的大小為30 kN，方向朝向機(jī)尾端（見圖10、圖11中箭頭）。設(shè)定求解結(jié)果后，分別對兩個模型進(jìn)行求解，求解結(jié)果如圖12～15所示。

圖12 模型A Mises等效應(yīng)力圖

由圖12、圖13 Mises等效應(yīng)力云圖，可以看出模型A最大等效應(yīng)力為280.7 MPa，最大等效應(yīng)力都主要集中在側(cè)板與軸承座板連接處，因此該處需要嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，絕不允許出現(xiàn)任何缺陷，其余等效應(yīng)力值均小于Q235-A的屈服強(qiáng)度235 MPa。模型B最大等效應(yīng)力為359.9 MPpa，最大等效應(yīng)力主要集中在側(cè)板與軸承座板連接處，另外側(cè)板上下法蘭以及軸承座板有7個區(qū)域的等效應(yīng)力值在240 MPa左右，接近Q235-A的屈服強(qiáng)度235 MPa，非常容易發(fā)生塑性變形。

圖13 模型B Mises等效應(yīng)力圖

由圖14、圖15變形云圖，可以看出模型A最大變形1.245 mm，最大變形位于軸承座板的外側(cè)兩端紅色區(qū)域，且變形區(qū)域很小。模型B最大變形1.817 mm，最大變形位于筋板和側(cè)板連接處紅色區(qū)域，且側(cè)板有很大區(qū)域發(fā)生變形。

圖14 模型A變形云圖

圖15 模型B變形云圖

從以上分析的結(jié)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的最大等效應(yīng)力小于模型B的最大等效應(yīng)力，整體結(jié)構(gòu)沒有超過Q235-A屈服強(qiáng)度，并且模型A變形量小于模型B，變形區(qū)域也很小。因此模型A的結(jié)構(gòu)優(yōu)于模型B的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

通過對刮板機(jī)中間段結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，減少了設(shè)備耗材，降低了制作工藝難度，設(shè)備運(yùn)行阻力大和噪聲大的問題得到了有效解決。頭尾輪采用裝配式結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)制作以及后期維修成本大幅度降低。機(jī)頭側(cè)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，設(shè)備傳動運(yùn)行更加穩(wěn)定，故障明顯減少。這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計，使得刮板機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，延長了使用壽命，從而帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。