刮板输送机驱动链轮结构的优化研究分析

吴尧龙 郑月参 王建南

摘要：我国煤炭开采量不断加大，促进了刮板输送机的快速发展。到目前为止，已有很多学者对刮板输送机的技术发展进行了大量研究。针对刮板输送机的发展趋势，详细阐述了我国刮板输送机的发展历史和现状，介绍了刮板输送机的主要分类，重点指出了未来刮板输送机技术研究的四个关键点，即加强基础理论研究、使用和研制新型材料、改进关键部件的加工工艺、设计研发综采面刮板输送机状态监测及故障诊断系统，并指出了未来刮板输送机发展的趋势。

关键词：刮板输送机;驱动链轮;结构优化;研究分析

引言

因煤矿井下工作环境复杂，刮板输送机的传动系统在长期负重工作时极易发生故障，轻者导致刮板输送机运行效率降低，影响煤矿井下的综采作业速度，严重者甚至造成人员伤亡事故。据统计，在煤矿井下刮板输送机的事故中，链传动系统的链环断裂、链轮破损事故占到了链传动事故的60%以上，给煤矿生产企业的正常生产造成了极大的影响，因此迫切需要对链传动系统的断链原因进行分析并针对性的制定结构优化措施，降低链传动系统发生故障的概率，提升煤矿井下的综采作业效率。

1链轮传动特点分析

刮板输送机作为一种重要的往复式输送装备，在重载条件下运行，存在比较明显的结构损耗。刮板输送机结构特点决定了其传动链条系统在工作过程中会受到周期性变化的载荷作用，同时会受到落煤对其所产生的动载荷作用，可见刮板输送机所承受的随机载荷较大，其中部槽容易变形或刮板链条损耗加重，使用寿命大大降低。SGB380型刮板输送机的传动系统为双驱动轮型，机头参与啮合的链条平环在自身重力、摩擦力以及链轮驱动力作用下产生滑移，这也加重了链条与链轮之间的磨损。在整个啮合的过程中，链条与链轮之间始终处于接触状态，按链条与齿轮啮合的动作的不同可以分为初始啮合状态、啮合状态、啮出状态。

2驱动链轮磨损失效分析

驱动小齿轮的主要失效形式是磨损、挤压和齿断裂。磨损可分为内部磨削材料磨损和表面疲劳磨损，疲劳磨损是由于接触表面上的最大压力应力以及圆形链接触链轮巢时表面层下的最大剪切应力。很长一段时间后，在剪切应力作用下，接触表面会出现裂缝，导致表面磨损。粒子磨损是由于链轮与圆形链之间的摩擦造成的，该摩擦是由链轮工作时的硬粒子引起的，从而导致磨料磨损。驱动小齿轮的磨损与它的寿命直接相关，驱动小齿轮工作越稳定，链轮的寿命就越长。

3刮板输送机驱动链轮结构接触分析

3.1链轮三维模型建立

为进一步掌握链轮在不同工况下的结构性能，结合SGZ1000型矿用刮板输送机中链轮为分析对象，采用Solidworks软件，对其进行了三维模型建立。在建模过程中，为提高整个分析过程的精度和分析速度，将链轮中的圆角、倒角、过渡圆弧等特征进行了模型简化，仅保留了链轮中轮齿、中心轴、键槽等关键部位。同时，对链轮中的较小非关键圆孔也进行了模型简化。将建立的链轮三维模型保存为stp格式后，导致如ABAQUS软件中，对链轮进行仿真模型建立。在软件中，首先将链轮的材料设置为Q235材料，其材料的关键性能参数如表1所示。同时，由于链轮为实体结构，故在软件中对链轮进行了实体单元设置，网格类型为四面体网格单元，网格大小为10mm。同时，将链轮与链条之间进行了接触设置，并对链轮中部轴孔进行了旋转约束设置。在链轮上施加了牵引作用力。整个模型的分析时间设置为15min，开展了链轮在不同工况下的结构强度分析。

3.2接触、边界条件、载荷的设置

套用负载之前，必须完成节点和单位元件的设定。指定1个链轮和10个环形链元件。链轮齿与链连结之间以及链连结之间的接触设定为自动曲面接触演算法，而无需手动设定接触方向。静态摩擦系数和动态摩擦系数分别为0.3和。0.2定义。根据脱料轮的实际行驶情况，计算拉力f = 7.3 kn，转速v = 0.76m/s。假定链轮沿z轴逆时针方向，速度为64.3 r/min，驱动端为链轮的顶部。仿真计算时间设置为0.1s，分为22个子步骤。

3.3链轮传动过程数值模拟及接触分析

在刮板输送机运行过程中，依靠齿轮传动必然涉及到齿轮的磨损和压溃以及链条和链环之间的接触受力，因此对其进行动态数值模拟研究其力学特性就显得尤为重要。数值模拟计算过程一般有三步，即数值模型的预处理、模型的计算以及后处理三步。选用ABAQUS软件对传动过程进行接触动力学分析。ABAQUS软件在计算非线性运动的过程中有明显的优势，因此被大量应用于工程的仿真与模拟计算中。在刮板输送机运动过程中，因为设备为非线性动态运行，当惯性力随时间变化很快时就需要做动力学分析计算，而ABAQUS软件根据实际工程应用而生，在处理非线性动态问题方面优势明显，因此采用ABAQUS软件。

3.4驱动链轮与圆环链的啮合

齿廓曲线半径、齿根曲线半径和链灰姑娘曲线的大小会导致驱动小齿轮和圆链啮合过程中整个网袋形状发生变化。当齿形状圆弧的半径增加时，轮廓圆弧和圆的交点高于原始交点，从而减小角度并显着增加它们之间的力。如果齿根弧的半径增加，并且齿轮廓弧的半径保持不变，则链轮和圆链之间的接触面积也会增大，从而增加了断裂的风险。在驱动小齿轮的工作过程中，在拉伸作用下，啮合圆链从原始圆切换为椭圆环。造型变更会降低齿根弧半径和链灰姑娘弧半径，同时增加中心弧的中心距离，最终导致链轮和链灰之间的地面接触面积增加。接触面积的扩大似乎减少了磨损。但是，在实际工作中，链轮将更多地接触链条灰的一侧，并且载荷将增大，从而导致地面接触对磨损的影响。

4链轮的结构优化改进

1）将鏈轮的结构材料设置为屈服强度更高的Q345材料，使其在使用过程中具有更高的结构强度;2）将链轮的厚度增加5mm，轮齿根部与轮齿连接处增加圆弧过渡，过渡圆弧设置为R5mm，能有效减小此区域的应力集中现象;3）增加轮齿的厚度5mm，链窝圆弧半径增加2mm，可提高链轮的结构强度;4）定期对链轮与链条之间的啮合接触部位的煤石或煤灰进行清理，保证啮合处具有更低的摩擦力，减少链轮的磨损程度;5）加强对链轮作业时自身结构的维护保养，当发生链轮出现结构开裂、变形或断裂等失效现象时，需及时对其进行维修，以避免刮板输送机出现更大结构失效现象。6）分析了传动小齿轮的磨损形式和失效原因，给出了疲劳损伤与寿命之间的关系曲线以及有助于提高传动齿轮寿命的损伤总和公式。7）通过对根圆半径、根曲线半径和链灰姑娘曲线半径进行正交试验，找出了最有意义的参数，并给出了相应的根圆半径、根曲线半径和链灰姑娘曲线半径曲线。8）对优化前后应力峰值进行分析后发现，优化链轮的最大应力值减小为156.7 MPa，而最大应变为1.078mm，最大应力减小6.57%，最大应力减小6.84%。。

结束语

通过对矿用刮板输送机链轮传动系统建模以及链轮传动过程数值模拟及接触分析得到，在链环受力运行的过程中，中间链环因为应力集中受力最大，因此位移变化也最大，在长期运行中容易被磨损破坏，影响刮板输送机的运输效率，因此矿井应该选择合适型号的刮板输送机。

参考文献

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