礦用刮板輸送機(jī)鏈輪優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

（陽(yáng)煤忻州通用機(jī)械有限責(zé)任公司，山西 忻州 034000）

我國(guó)當(dāng)前使用的鏈輪使用壽命短、承載能力差，并且和其他的零部件設(shè)計(jì)水平也是不匹配，而這一問(wèn)題也是嚴(yán)重的阻礙了刮板輸送機(jī)朝著遠(yuǎn)距離以及大功率輸送方向發(fā)展的重要因素。積極的采用相關(guān)措施來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)也是十分的有必要，以此來(lái)滿足日益重型化的刮板輸送機(jī)的發(fā)展需求。

1 合理的建立有限元模型

本文主要就是以某一型號(hào)的刮板輸送機(jī)作為研究的對(duì)象，建立相關(guān)的鏈輪模型，如下圖1。其鏈輪失效的部位主要就是在鏈窩，而其鏈齒根部破壞的情況比較少。為了有效的提升計(jì)算的效率，取模型中相鄰的兩個(gè)齒作為分析研究對(duì)象，建立如下圖2所示的有限元模型。為了準(zhǔn)確的事假圓環(huán)鏈拉力載荷，具體可以將載荷均勻的加載下圖2的半環(huán)斷面上，其中的圓環(huán)鏈間、鏈輪以及圓環(huán)鏈之間添加一定的接觸約束，然后就是鏈齒底面上所有節(jié)點(diǎn)中的自由度全部固定。

圖1 鏈輪三維模型

圖2 鏈輪一鏈環(huán)有限元模型

2 基于極限載荷的刮板輸送機(jī)鏈輪優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

2.1 優(yōu)化目標(biāo)以及優(yōu)化的方法

優(yōu)化的目標(biāo)就是：①應(yīng)變分布盡可能的均勻；②最大等效應(yīng)變最??；③大應(yīng)變區(qū)域落在鏈窩的中央?yún)^(qū)域[1]。而優(yōu)化的方法則是有著以下兩種，提取變形之后的鏈環(huán)外廓包絡(luò)面當(dāng)作是鏈輪鏈窩曲面圓弧段的部分。提取變形之后的鏈環(huán)中心線，以其作為軌跡，以標(biāo)準(zhǔn)圓弧當(dāng)成是截面，通過(guò)三維軟件來(lái)對(duì)生成的鏈輪鏈窩曲面圓弧段的部分進(jìn)行掃略。

2.2 基于鏈環(huán)變形之后的包絡(luò)面鏈輪優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

嚴(yán)格的按照以下幾個(gè)步驟提取鏈環(huán)變性之后的外廓包絡(luò)面：①提取鏈環(huán)變性之后的各個(gè)節(jié)點(diǎn)位移矢量；②將標(biāo)準(zhǔn)鏈環(huán)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)按照位移矢量移動(dòng)，得到變形之后的網(wǎng)格單元；③提取鏈環(huán)裸露單元外表面生成的曲面，這樣也就能夠得到鏈環(huán)變形之后的外表面。然后將其導(dǎo)出，在三維軟件中就能直接進(jìn)行建模，最后得到優(yōu)化之后的鏈輪。相比較于優(yōu)化之前，刮板輸送機(jī)鏈輪的受力狀況有著極大的改善。

2.3 基于鏈環(huán)變形之后的中心線進(jìn)行鏈輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

與外包絡(luò)面的提取方法相似，不過(guò)鏈環(huán)中心線在提取的時(shí)候必須得保證在標(biāo)準(zhǔn)鏈環(huán)進(jìn)行鏈環(huán)中心線網(wǎng)格劃分的時(shí)候應(yīng)該采用離散化網(wǎng)格單元的邊進(jìn)行構(gòu)成，最后再提取這些變性之后的單元邊生成的曲線，這樣也就能夠得到鏈環(huán)變形之后的中心線。加載分析之后可以得出如下圖3所示的應(yīng)變分布中，從圖中我們可以清楚的了解到其最大的應(yīng)變未2.67×10-2，和優(yōu)化之前變化不大，不過(guò)卻極大的提升了應(yīng)力分布的均勻化程度。

2.4 兩種優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)比兩種優(yōu)化結(jié)果我們能夠看出，提取變形之后的鏈環(huán)外廓包絡(luò)面當(dāng)做鏈輪鏈窩的曲面之后，其最大應(yīng)變的減小幅度比較大，并且最大應(yīng)變的區(qū)域也是更加的理想。所以在實(shí)際的應(yīng)用中利用鏈環(huán)外廓包絡(luò)面方法來(lái)進(jìn)行刮板輸送機(jī)鏈輪的優(yōu)化。

3 優(yōu)化方法的循環(huán)性分析

3.1 基于平穩(wěn)載荷的輸送機(jī)鏈輪二次優(yōu)化

通過(guò)上文的分析我們能夠看到，以上兩種優(yōu)化的方法都能夠起到一定的作用，而這里主要討論的就是能否循環(huán)的利用提取鏈環(huán)包絡(luò)面來(lái)當(dāng)成是鏈輪鏈窩曲面的方法進(jìn)行鏈輪的優(yōu)化，這也就是說(shuō)在提取了優(yōu)化之后的模型分析結(jié)果之后，再一次進(jìn)行鏈輪鏈窩曲面的重構(gòu)，觀察鏈輪受力特性能不能再次有著提高。例如下圖4主要就是基于平穩(wěn)運(yùn)行載荷的作用下進(jìn)行輸送機(jī)鏈輪二次優(yōu)化之后的應(yīng)變分布的情況，從圖中我們能夠清楚的看出其最大應(yīng)變有著稍許變大，并且其最大的應(yīng)變區(qū)域比較接近立環(huán)開檔，同時(shí)應(yīng)變的均勻程度也比不上第一次的優(yōu)化結(jié)果。

圖3 基于鏈環(huán)中心線優(yōu)化后的鏈輪應(yīng)變分布

圖4 基于平穩(wěn)載荷的輸送機(jī)鏈輪二次優(yōu)化后的應(yīng)變分布

3.2 基于平穩(wěn)載荷鏈輪二次優(yōu)化的結(jié)果分析

結(jié)合上文內(nèi)容我們能夠清楚的知道，第二次使用提取鏈環(huán)包絡(luò)面當(dāng)做鏈輪鏈窩曲面這一方法記性鏈輪的優(yōu)化之后，刮板輸送機(jī)鏈輪的力學(xué)特性沒(méi)能得到進(jìn)一步的優(yōu)化，并且其效果也沒(méi)有呈現(xiàn)出遞增性，下以對(duì)其原因進(jìn)行了相關(guān)分析探討。從下圖5我們能夠看出，標(biāo)準(zhǔn)的圓環(huán)鏈和鏈輪在空載的條件背景下處于理想面的接觸狀態(tài)。而在加載之后因?yàn)閳A環(huán)變形，圓環(huán)鏈和鏈輪在立環(huán)開檔的位置處以較小的區(qū)域接觸，這個(gè)時(shí)候的鏈輪接觸應(yīng)變最大。

圖5 鏈輪優(yōu)化過(guò)程示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要就是通過(guò)有限元分析軟件進(jìn)行了鏈輪和圓環(huán)鏈的靜力學(xué)接觸分析，然后在這個(gè)基礎(chǔ)之上進(jìn)行鏈輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)。相關(guān)部門應(yīng)該利用提取鏈環(huán)外廓包絡(luò)面當(dāng)做是鏈輪鏈窩曲面圓弧段部分的優(yōu)化方法。所述的優(yōu)化方法的最終結(jié)果和使用工況息息相關(guān)，優(yōu)化前應(yīng)變以及載荷越大，那鏈輪優(yōu)化之后的受力特性的改良就會(huì)越發(fā)的明顯。而循環(huán)使用所述的優(yōu)化方法進(jìn)行鏈輪的優(yōu)化，其效果沒(méi)有呈現(xiàn)出遞增性，也就是說(shuō)提取優(yōu)化之后的模型分析結(jié)果，再次進(jìn)行鏈輪鏈窩的重構(gòu)，其力學(xué)特性不再有著明顯的改善。