基于Workbench 的矿用刮板输送机圆环链结构特性分析

李 洋 子

（晋煤集团泽州天安恒源煤业有限公司，山西 晋城，048000）

0 引 言

随着国家的大力发展，对煤矿的需求量也越来越大，刮板输送机作为煤矿开采中的重要设备，在煤矿中得到了广泛应用。由于井下环境的恶劣性，加上自身设备的设计问题，刮板输送机在使用过程中经常出现零部件变形、断裂损坏、振动幅度较大等问题，而圆环链的故障问题则是导致刮板输送机出现故障失效的主要原因之一。因此，有必要对刮板输送机中圆环链的结构性能开展研究。

通过对圆环链疲劳强度的主要影响因素进行分析，采用PROE 及Workbench 仿真软件，建立了圆环链的三维模型及有限元仿真模型，开展了圆环链的应力变化、结构位移变化仿真分析研究，结果表明，圆环链在实际使用过程中，极容易发生较大的结构变形、断裂等故障，并由此提出了圆环链的改进建议。该研究对提高圆环链的结构性能及刮板输送机的工作效率具有重要意义。

1 圆环链疲劳强度主要影响因素分析

圆环链在使用过程中，其结构尺寸、接触表面光洁度、井下环境等均会影响圆环链的疲劳强度，因此，对其疲劳强度影响因素进行了分析。

1.1 结构尺寸影响

圆环链的不同结构尺寸，将对零件的疲劳强度产生重要影响。其影响规律主要表现为：圆环链的结构尺寸越大，其疲劳强度越小，反之，圆环链的结构尺寸越小，其结构的疲劳强度越大，在使用过程中越容易发生疲劳失效故障现象。因此，根据其工作环境，合理确定圆环链的结构尺寸。

1.2 应力集中影响

圆环链在产品加工过程中，由于其表面光滑性较低，在表面形了较多细小的圆孔、倒角等特征，在其使用过程中，会在此些部位形成不同程度的应力集中现象，最终出现结构变形。断裂故障。因此，应减小或避免在圆环链上产生应力集中现象。

2 圆环链模型建立

2.1 三维模型建立

圆环链作为刮板式输送机中的重要零件，其较强的结构强度，对保障刮板输送机的工作效率至关重要。因此，根据圆环链的实际结构尺寸，采用PROE 软件，按照1：1 比例，对圆环链进行了三维模型建立。为避免圆环链上焊缝、过渡圆弧等非关键特征对圆环链仿真结果的影响，在三维模型中对此些特征进行了模型简化，由此，建立了刮板输送机圆环链的三维模型，如图1 所示。

图1 刮板输送机圆环链三维模型

2.2 仿真模型建立

结合圆环链的工作条件可知，其主要用于刮板输送机中低速、重载荷工作条件下，对其结构强度及耐磨性具有较高的要求。因此，结合其实际材料特点，在仿真模型中选用了45 号钢，其材料的主要性能参数如表1 所示。同时，采用Workbench 仿真软件，对圆环链接触部分进行了非线性约束。为清晰的观察圆环链仿真后的应力、应变等指标的变化情况，选用了四面体网格类型，对圆环链进行了四面体网格划分，网格大小为10mm，其网格划分图如图2 所示。最后，通过对圆环链进行边界条件设置及载荷施加，完成了圆环链仿真模型的建立。

表1 49 号钢主要性能参数

图2 圆环链部分网格划分图

3 圆环链仿真结果分析

结合建立的刮板输送机圆环链仿真模型，从圆环链应力、结构位移变化等方面开展了有限元仿真分析研究。

3.1 圆环链应力变化分析

通过仿真，得到了圆环链应力变化图，如图3 所示。由图可知，圆环链整体呈现应力分布不均匀现象，且在其一端大圆弧内侧和外侧均出现了较大的应力集中，但大圆弧外侧应力集中相对较小，而圆弧链其他部分的应力则几乎没变化。分析其原因为：圆环链在工作过程中，由于一端的大圆弧与相连接的圆弧链之间存在较大相互拉力，且主要集中在内侧圆弧的某一点或较小接触面上。圆弧链在使用过程中极容易在其大圆弧处发生疲劳失效的故障现象，严重时会产生断裂故障。因此，需对圆环链大圆弧处进行优化改进。

图3 圆环链中部圆环应力变化图

3.2 圆环链结构位移变化分析

通过仿真，得到了圆环链结构位移变化图，如图4 所示。由图可知，圆环链整体出现了不均匀的结构位移变化，且在圆环链一端的大圆弧处出现了较大的位移变化，并延圆环链的另一端呈逐渐减少的变化趋势。分析其原因为：圆环链在工作过程中，其一段的大圆弧由于与下一个圆环链之间进行了接触使非线性连接，导致在此处承受着较大的外界作用力，最终使圆环链在此处出现了较大的位移变形。由此可值，圆环链在长期使用过程中，极可能出现较大的结构变形、甚至断裂等故障。这与前文圆环链的应力集中位置基本相同。因此，需对其进行结构优化改进。

图4 圆环链中部圆环位移变形图

4 圆环链结构优化改进

根据前文对刮板输送机圆环链的仿真分析可知，在其一端的大圆弧处出现了较大的应力集中及结构变形现象，在实际使用过程中，极容易发生较大的结构变形、断裂等故障。因此，需对其进行结构优化改进设计，具体措施如下：

1）增加圆环链的结构尺寸，以此来增加大圆弧处的圆弧半径，从而使圆环链之间的接触面增大，减小接触位置的作用力集中现象；

2）改进圆环链材料属性，选用强度更高的材料，并对生产后的圆环链进行调质、淬火等热处理，以此来改善其结构强度和刚度；

3）使用过程中，需对接触处喷涂耐磨材料，同时，可在两个圆环链接触处添加橡胶等减振材料，以来减少外界作用力的影响。

4）刮板输送机实际工作过程中，定期对圆环链使用情况进行检查，针对出现磨损严重、结构变形量大、有断裂裂痕的圆环链进行及时维修、更换，以保证刮板输送机的正常作业。

5 结 论

圆环链作为刮板输送机中的关键部件之一，其结构性能的好坏，对刮板输送机的正常工作具有重要影响。因此，通过对圆环链疲劳强度的主要影响因素进行分析，采用PROE 及Workbench 仿真软件，建立了圆环链的三维模型及有限元仿真模型，开展了圆环链的应力变化、结构位移变化仿真分析研究，结果表明，圆环链的一端大圆弧处出现了较大的应力集中及结构变形现象，在实际使用过程中，极容易发生较大的结构变形、断裂等故障，并由此提出了圆环链的改进建议。该研究对提高圆环链的结构性能及刮板输送机的工作效率具有重要意义，可为后期开展刮板输送机其他部件的结构性能提升具有一定的指导。