大节距链轮的优化设计

孙继峰

（河北天择重型机械有限公司，河北邯郸 056200）

1 立项背景

立井斗式连续提升系统是采用专门设计的大节距特型圆环链和专用可旋转料斗作为散装物料提升的一种新型矿井提升形式，由电机带动驱动轴上的大节距链轮拖动圆环链，提升固定在圆环链上的料斗，来实现提升功能。

大节距链轮是立井斗式连续提升系统的重要零部件。在立井斗式连续提升系统的原设计中，大节距链轮为一个整体，这种结构的链轮在运转过程中如果链齿产生磨损、影响运转，则必须更换整个链轮。链轮的原使用寿命一般为一年，更换链轮时需要将链条脱离链轮，然后将整个链轮组件（链轮、轴、轴承座部件）拆下，返回制造厂维修。维修一个链轮部件，提升机一般至少要停运3 d，给提升机使用单位造成上百万的损失。同时，大节距链条使用6 个月，链环圆弧处就局部磨损成2 个坑，必须更换新链条。大节距链轮不易于维护，使用周期短、维护成本高，成为提升机设计中的一个重大不足。

为了解决现有技术的不足和便于维护，将大节距链轮结构进行了优化设计。

2 大节距链轮的优化设计

2.1 分体结构大节距链轮设计

将整体链轮改为由链齿与轮毂组合而成的分体结构，即将链齿嵌入到轮毂、轮毂和链齿为组合形式（图1）。在轮毂上铣出10 个槽，每个槽底再铣1 个凹槽，凹槽底部钻攻2 个螺纹孔。10 个链齿其外形尺寸与轮毂上的槽相配，链齿底部铣出1 个凸台，其尺寸与轮毂槽底部的凹槽相配，每个链齿上钻2 个沉孔。链齿下部镶在轮毂槽里，靠轮毂槽左右两侧面定位，以传递周向力；链齿上的凸台镶在轮毂底部凹槽里，靠凹槽前后两侧面定位，以传递轴向力，用2 条内六角螺钉把链齿和轮毂联结固定，使链齿与轮毂成为一个整体。大节距链轮分体结构采取十字定位方式，既保障了单个链齿安装后齿形几何位置精度，又可以保障同一轮毂上所有链齿的一致性。

分体结构的大节距链轮加工时，轮毂单件加工成活；链齿除链齿齿顶部位与轮毂整体加工外，其余均分体加工。既保障了单个链齿外形的尺寸精度，又可以保障链齿与轮毂的位置精度，使分体结构链轮的加工质量与整体结构链轮相同。

改为由轮毂与链齿组合式的分体结构后，当链轮在运转过程中，链齿因磨损损坏时，不用停产就可以快速更换个别链齿。这样既不需要更换整个链轮，也不需要拆掉链条，利用链条与链轮非啮合空间就可以操作，利用检修时间即可完成，大大降低了维修费用。

2.2 大节距链轮外形尺寸的优化设计

2.2.1 大节距链轮的初始尺寸设计

设计条件：圆环链公称直径d=26 mm，圆环链公称节距p=185 mm，圆环链最大外宽b=91 mm，链轮齿数N=10 个。

根据MT 231—1991《矿用刮板输送机驱动链轮》中链轮形式和尺寸，计算出链轮各部位的尺寸（表1）。

图1 链轮结构

表1 链轮各部位的尺寸 mm

按此尺寸设计出的大节距链轮，在使用过程中链齿齿窝、链条圆弧处局部磨损严重；且运转过程中出现无规律的间歇跳链。

2.2.2 大节距链轮结构尺寸的优化设计

多次到现场观察立井斗式连续提升系统，并对运行过程中的各种情况做了记录，包括：空载启动时，主驱动链轮的啮合状况、导向链轮的啮合情况；启动运行后，主驱动链轮的啮合状况、导向链轮的啮合情况；满载时，主驱动链轮的啮合状况、导向链轮的啮合情况。通过多次观察，发现跳链主要出现在满载时的导向链轮。进一步观察跳链时链条与链齿的啮合状况，发现链环与链齿啮合时间隙太大，是出现跳链的主要原因。观察链条的磨损面，发现链齿与链环啮合面小是链环局部磨损的主要原因。

结合以上实践经验，翻阅了初始大节距链轮设计时各部尺寸的计算过程。通过对大节距链轮各个尺寸进行分析研究发现，链环与链齿啮合间隙太大，与链齿设计中的链窝长度有关；链齿与链环啮合面小与短齿厚度有关。

（1）减小链窝长度。根据MT 231—1991 标准，分别计算d=26 mm 的大节距链环与标准链环的L 值、链环与链窝间隙。

a.按大节距链环p=185 mm、d=26 mm 计算，链窝长度L=1.075p+2d=1.075×185+2×26=250.875 mm，连环长度：185+2×26=237 mm，链环与链窝非啮合面间隙为250.87-237=13.87 mm。

b.按标准矿用圆环链p=92 mm、d=26 mm 计算，链窝长度L=1.075p+2d=1.075×92+2×26=150.9 mm，连环长度92+2×26=144 mm，链环与链窝非啮合面间隙为150.9-144=6.9 mm。

通过两组数据对比，大节距圆环链比标准圆环链链轮间隙大了一倍，于是认为对于大节距圆环链MT 231—1991 标准不完全适用。结合实践情况，为了确保链环与链窝非啮合面之间的间隙，需要将链窝长度减小。同时，考虑到大节距链条与链齿啮合的不同，将啮合间隙在原理论计算的基础上减小了约5 mm，即链窝长度设计为246 mm。

（2）加大短齿厚度。根据初设大节距链轮的计算数据，在电脑上绘制了大节距链条与链齿的啮合平面图（图2）。发现“链窝圆弧”与“大节距圆环链圆弧”长度差12.2 mm，与在现场观察的链窝与链环啮合情况基本一致。链窝与链条啮合面小从理论上得到了验证。查阅MT 231—1991 标准，发现标准中“短齿厚度W”标注着“尺寸仅做参考”，即W 是可以根据情况改变的。

图2 链条与链齿啮合

图2 链条与链齿啮合图初设大节距链轮时，W 取171.16，其是根据公式计算出的理论值。结合现场观察到的实际使用情况，决定将链窝单边加长5 mm，即短齿厚度W 加大10 mm，W取181 mm。考虑到L 减小了约5 mm，相当于链窝将链环向后平移了2.5 mm，应该将W 再加大5 mm，取186 mm。

W 加大后，链环在链窝中啮合面、非啮合面与链窝平面的接触长度都得到了加长，链齿的受力面积加大，链齿与链环局部受力减小，解决了链齿局部磨损严重问题。

经过改变大节距链轮的W、L 值，链环与链齿配合面得到了加大。链条圆弧处局部磨损、跳链情况均得到了改善。

3 使用效果

将大节距链轮整体结构改为由轮毂与链齿组合而成的分体结构后，链轮维护简单易行，更换链齿不用停产即可完成；链窝长度L 减小为246 mm、短齿厚度W 加大为186 mm，使链齿与链环的啮合面加大，一套链齿可使用一年半，使用寿命延长了6 个月；同时，链条局部磨损也得到了改善，链条使用寿命达到了9 个月，比优化前延长了3 个月，大大降低了维护成本。

总之，优化设计的大节距连续提升机链轮，其结构简单、定位精确、更换链齿方便，提高了提升系统的运行平稳性。链轮具备了使用寿命长、易维护、维护成本低的特点，克服了原有技术不足，为设计其他大节距链轮积累了实践经验。