不同工况下刮板输送机减速箱箱体结构性能的研究

郭树伟

（太原东山东峰煤业有限公司，山西 太原 030043）

引言

刮板输送机作为煤矿开采中的关键设备，一旦其发生停机维修现象，将严重影响整个矿井中的煤矿开采，保障其设备的稳定及高效运行、减少设备的运行故障，已成为当前企业关注的重点方向，而保障刮板输送机中的减速箱箱体的结构性能显得尤为重要[1]。由于井下环境的复杂性，刮板输送机经常也出现超负荷作业，加上外界经常受到较大的外界载荷冲击，导致箱体在使用时也出现了结构变形、局部开裂、定位销断裂等失效现象，对煤矿的开采效率及作业安全构成了重要威胁，有必要对减速箱箱体进行结构性能研究[2]。为此，以SGZ1710型刮板输送机箱体为分析对象，开展了该部件在不同工况下的结构性能研究，提出了箱体结构改进的措施。这对保障刮板输送机的高效生产及使用寿命具有重要意义。

1 刮板输送机及减速箱结构组成分析

矿用刮板输送机作为煤矿开采中的关键设备，以SGZ1710型刮板输送机为例，其结构主要包括机头、机尾、减速箱、刮板链条、皮带、机槽、驱动电机等部分，主要与其他设备进行相互配合，负责对开采煤矿的有效传输。其中减速箱中包括了行星轮、太阳轮、行星架、多级传递齿轮、箱体等部分，是整个设备中的核心[3]。而由于刮板输送机的作业工况相对复杂，加上经常有煤矿碎石或煤灰掉入至减速箱中，加上箱体自身受到外界的无规律载荷作用，导致减速箱经常出现各类问题。设备在运行时经常出现如下问题：工作阻力较大，导致电机经常处于超高功率载荷下作业；同时设备的经常启停使用，导致其受到了较大的冲击载荷作用，对电网及传输带造成了较大冲击[4]。煤矿的较大冲击，出现了卡链、链条损坏或断裂等问题。箱体是减速箱中的关键部件，其结构主要包括输入箱体、输出箱体、中间上/下箱体、定位盖等零件，如图1 所示，由于外界载荷的无规律冲击，箱体使用时也出现了局部区域变形、局部开裂、定位销断裂等失效现象，一旦出现失效，将会严重影响设备的正常开采作业[5]。为此，将重点对减速箱箱体结构在不同工况下的结构性能开展分析研究。

图1 减速箱箱体结构组成图

2 减速箱箱体模型建立

2.1 三维模型建立

为进一步掌握刮板输送机减速箱箱体的综合性能，需对其进行三维模型建立。为此，采用了Solidworks 软件，结合SGZ1710型刮板输送机中减速箱箱体的实际结构尺寸，按照1∶1 比例，对其进行了三维模型建立。由于箱体中存在工艺凸台、轴承孔、倒角、圆角等特征，此些特征不仅会造成后文模型的网格划分难度增大，也会对模型的分析精度构成影响，故对模型中的圆角、倒角等非关键特征进行了模型简化，仅保留了箱体中输入箱体、中间下箱体、定位盖、中间上箱体、输出箱体等部分[6]。

2.2 仿真模型建立

将所建立的箱体三维模型保存为x-t 格式后，将其导入至ABAQUS 软件中，对其进行了有限元仿真模型建立。由于箱体在实际使用过程中采用了Q235材料，故在此软件中将其材料设置为QT400-15 材料，其屈服强度为235 MPa，密度为7 850 kg/m3，泊松比为0.28，杨氏模量为161 GPa，并将此材料赋予给箱体。根据箱体的结构特点，在对其进行网格划分时，确定了箱体的网格类型为实体单元类型，四面体网格，将箱体上关键受力部位进行了10 mm的四面体网格划分，对箱体上其余部件进行了15 mm的四面体网格划分，如图2 所示。另外，对箱体底部连接孔处了进行了tie 固定约束，各部件之间也进行了tie 固定约束。由此，完成减速箱箱体的网格划分。

图2 减速箱箱体网格划分图

3 不同工况下结构性能分析

由于刮板输送机的作业工况相对复杂，作业工况也相对较多，故选用了两种典型工况对减速箱箱体结构性能进行了分析研究，包括额定工况和最大输出扭矩工况。其中，额定工况主要是在轴向前端施加-1.3×105N的径向力和1.04×105N的切向力。而最大输出扭矩工况则是将驱动电机的旋转扭矩设置为4.5×108N·mm，电机转速设置为1 480 r/min。

3.1 额定工况下结构性能分析

结合建立的减速箱箱体仿真模型，得到了箱体在额定工况下的应力变化图，如图3 所示。由图可知，箱体整体结构的应力集中现象相对较小，最大应力值主要集中于下输出箱体端的螺栓连接孔处，并沿四周呈逐渐减小的变化趋势，这是由于螺栓孔处受到较大的螺栓载荷作用，导致输出箱体上的应力值较大；同时，在中间箱体的轴承座附近也出现了较大的应力集中现象，这是由于中间箱体的轴承座上承受着来自齿轮传动箱上的较大外界载荷作用。而箱体的定位盖及其他区域的应力值则相对较小。由此，找到了箱体在额定工况下的结构变化规律，箱体的输出箱体上螺栓孔处及中间箱的轴承座是整个结构的薄弱部位，在设计及使用时需重点关注。

3.2 最大输出扭矩工况下结构性能分析

通过仿真分析，得到了箱体在最大输出扭矩下的应力变化图，如图4 所示。由图可知，箱体整体结构也出现了不同程度的应力集中现象，在中间箱体的定位销孔处的应力值则相对较高，并沿四周呈逐渐减小的变化趋势，分析其原因为定位销孔处受到了来自液黏传动反方向的扭矩作用，产生了反向的剪切力，致使在其局部区域的应力值相对较高。输出箱体的中部螺栓孔及中间箱体的轴承座上也出现了相对较高的应力集中现象，其应力相对较大的原因和额定工况基本相同。由此可知，减速箱箱体在最大输出扭矩工况下，中间箱体的定位销孔及轴承座等区域是整个结构的薄弱部位，若长时间的使用，极可能率先在此区域发生结构失效现象，需重点进行结构优化改进。

图4 最少输出扭矩工况下箱体应力（MPa）变化图

结合两种工况的应力状态对比可知，在箱体最大输出扭矩工况下，箱体的应力集中现象明显比额定工况时更为明显，且最大应力集中区域更多，在此工况下作业发生结构失效的可能性及风险会更高。

4 减速箱箱体的结构改进措施

结合前文分析可知，减速箱箱体在两种工况下均出现了不同程度的应力集中现象，在中间箱体定位销孔处和轴承座处及输出箱体的螺栓孔处是整个结构的薄弱部位。为此，提出了减速箱箱体结构改进的几点措施。

1）可将减速箱箱体的材料设置为Q345 材料，可将其材料的屈服强度由235 MPa 提高至345 MPa，保证箱体结构具有更高的结构强度；

2）增加箱体中的输出箱体螺栓连接孔四周的钢板厚度2 mm，并在应力集中的非关键区域开设直径为2 mm的小孔，可实现将此区域集中的应力有效转移至小孔处，降低应力集中现象；

3）增加中间箱体定位销孔处钢板的厚度2 mm，并在销孔的左端也开设直径为2 mm 小孔；

4）对中间箱体及输出箱体应力集中区域内部加设加强筋结构，增加局部区域的支撑强度；

5）定期对减速箱箱体内添加润滑油，保证箱体内部各部件之间具有较好的润滑性能，降低部件之间的磨损；

6）尽量保证箱体不处于高强度、高扭矩等工况下工作，使得箱体结构受力均匀，不产生局部较大载荷作用。

5 结论

1）采用有限元分析方法来对刮板输送机中关键部件的受力情况及结构性能进行分析研究，以最经济、最高效的分析方法来找到部件存在的薄弱部位，已成为当前开展关键部件结构性能研究的重要方法。

2）箱体的中间箱体定位销孔、输出箱体的螺栓连接孔等区域均是其结构的薄弱部位，极容易率先发生结构失效现象。

3）针对箱体薄弱部位，从多方面对减速箱箱体的结构进行改进，为进一步提高减速箱箱体的结构性能及使用寿命提供重要保障作用。