大節(jié)距鏈輪的優(yōu)化設計

孫繼峰

（河北天擇重型機械有限公司，河北邯鄲 056200）

1 立項背景

立井斗式連續(xù)提升系統(tǒng)是采用專門設計的大節(jié)距特型圓環(huán)鏈和專用可旋轉(zhuǎn)料斗作為散裝物料提升的一種新型礦井提升形式，由電機帶動驅(qū)動軸上的大節(jié)距鏈輪拖動圓環(huán)鏈，提升固定在圓環(huán)鏈上的料斗，來實現(xiàn)提升功能。

大節(jié)距鏈輪是立井斗式連續(xù)提升系統(tǒng)的重要零部件。在立井斗式連續(xù)提升系統(tǒng)的原設計中，大節(jié)距鏈輪為一個整體，這種結(jié)構(gòu)的鏈輪在運轉(zhuǎn)過程中如果鏈齒產(chǎn)生磨損、影響運轉(zhuǎn)，則必須更換整個鏈輪。鏈輪的原使用壽命一般為一年，更換鏈輪時需要將鏈條脫離鏈輪，然后將整個鏈輪組件（鏈輪、軸、軸承座部件）拆下，返回制造廠維修。維修一個鏈輪部件，提升機一般至少要停運3 d，給提升機使用單位造成上百萬的損失。同時，大節(jié)距鏈條使用6 個月，鏈環(huán)圓弧處就局部磨損成2 個坑，必須更換新鏈條。大節(jié)距鏈輪不易于維護，使用周期短、維護成本高，成為提升機設計中的一個重大不足。

為了解決現(xiàn)有技術的不足和便于維護，將大節(jié)距鏈輪結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計。

2 大節(jié)距鏈輪的優(yōu)化設計

2.1 分體結(jié)構(gòu)大節(jié)距鏈輪設計

將整體鏈輪改為由鏈齒與輪轂組合而成的分體結(jié)構(gòu)，即將鏈齒嵌入到輪轂、輪轂和鏈齒為組合形式（圖1）。在輪轂上銑出10 個槽，每個槽底再銑1 個凹槽，凹槽底部鉆攻2 個螺紋孔。10 個鏈齒其外形尺寸與輪轂上的槽相配，鏈齒底部銑出1 個凸臺，其尺寸與輪轂槽底部的凹槽相配，每個鏈齒上鉆2 個沉孔。鏈齒下部鑲在輪轂槽里，靠輪轂槽左右兩側(cè)面定位，以傳遞周向力；鏈齒上的凸臺鑲在輪轂底部凹槽里，靠凹槽前后兩側(cè)面定位，以傳遞軸向力，用2 條內(nèi)六角螺釘把鏈齒和輪轂聯(lián)結(jié)固定，使鏈齒與輪轂成為一個整體。大節(jié)距鏈輪分體結(jié)構(gòu)采取十字定位方式，既保障了單個鏈齒安裝后齒形幾何位置精度，又可以保障同一輪轂上所有鏈齒的一致性。

分體結(jié)構(gòu)的大節(jié)距鏈輪加工時，輪轂單件加工成活；鏈齒除鏈齒齒頂部位與輪轂整體加工外，其余均分體加工。既保障了單個鏈齒外形的尺寸精度，又可以保障鏈齒與輪轂的位置精度，使分體結(jié)構(gòu)鏈輪的加工質(zhì)量與整體結(jié)構(gòu)鏈輪相同。

改為由輪轂與鏈齒組合式的分體結(jié)構(gòu)后，當鏈輪在運轉(zhuǎn)過程中，鏈齒因磨損損壞時，不用停產(chǎn)就可以快速更換個別鏈齒。這樣既不需要更換整個鏈輪，也不需要拆掉鏈條，利用鏈條與鏈輪非嚙合空間就可以操作，利用檢修時間即可完成，大大降低了維修費用。

2.2 大節(jié)距鏈輪外形尺寸的優(yōu)化設計

2.2.1 大節(jié)距鏈輪的初始尺寸設計

設計條件：圓環(huán)鏈公稱直徑d=26 mm，圓環(huán)鏈公稱節(jié)距p=185 mm，圓環(huán)鏈最大外寬b=91 mm，鏈輪齒數(shù)N=10 個。

根據(jù)MT 231—1991《礦用刮板輸送機驅(qū)動鏈輪》中鏈輪形式和尺寸，計算出鏈輪各部位的尺寸（表1）。

圖1 鏈輪結(jié)構(gòu)

表1 鏈輪各部位的尺寸 mm

按此尺寸設計出的大節(jié)距鏈輪，在使用過程中鏈齒齒窩、鏈條圓弧處局部磨損嚴重；且運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)無規(guī)律的間歇跳鏈。

2.2.2 大節(jié)距鏈輪結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設計

多次到現(xiàn)場觀察立井斗式連續(xù)提升系統(tǒng)，并對運行過程中的各種情況做了記錄，包括：空載啟動時，主驅(qū)動鏈輪的嚙合狀況、導向鏈輪的嚙合情況；啟動運行后，主驅(qū)動鏈輪的嚙合狀況、導向鏈輪的嚙合情況；滿載時，主驅(qū)動鏈輪的嚙合狀況、導向鏈輪的嚙合情況。通過多次觀察，發(fā)現(xiàn)跳鏈主要出現(xiàn)在滿載時的導向鏈輪。進一步觀察跳鏈時鏈條與鏈齒的嚙合狀況，發(fā)現(xiàn)鏈環(huán)與鏈齒嚙合時間隙太大，是出現(xiàn)跳鏈的主要原因。觀察鏈條的磨損面，發(fā)現(xiàn)鏈齒與鏈環(huán)嚙合面小是鏈環(huán)局部磨損的主要原因。

結(jié)合以上實踐經(jīng)驗，翻閱了初始大節(jié)距鏈輪設計時各部尺寸的計算過程。通過對大節(jié)距鏈輪各個尺寸進行分析研究發(fā)現(xiàn)，鏈環(huán)與鏈齒嚙合間隙太大，與鏈齒設計中的鏈窩長度有關；鏈齒與鏈環(huán)嚙合面小與短齒厚度有關。

（1）減小鏈窩長度。根據(jù)MT 231—1991 標準，分別計算d=26 mm 的大節(jié)距鏈環(huán)與標準鏈環(huán)的L 值、鏈環(huán)與鏈窩間隙。

a.按大節(jié)距鏈環(huán)p=185 mm、d=26 mm 計算，鏈窩長度L=1.075p+2d=1.075×185+2×26=250.875 mm，連環(huán)長度：185+2×26=237 mm，鏈環(huán)與鏈窩非嚙合面間隙為250.87-237=13.87 mm。

b.按標準礦用圓環(huán)鏈p=92 mm、d=26 mm 計算，鏈窩長度L=1.075p+2d=1.075×92+2×26=150.9 mm，連環(huán)長度92+2×26=144 mm，鏈環(huán)與鏈窩非嚙合面間隙為150.9-144=6.9 mm。

通過兩組數(shù)據(jù)對比，大節(jié)距圓環(huán)鏈比標準圓環(huán)鏈鏈輪間隙大了一倍，于是認為對于大節(jié)距圓環(huán)鏈MT 231—1991 標準不完全適用。結(jié)合實踐情況，為了確保鏈環(huán)與鏈窩非嚙合面之間的間隙，需要將鏈窩長度減小。同時，考慮到大節(jié)距鏈條與鏈齒嚙合的不同，將嚙合間隙在原理論計算的基礎上減小了約5 mm，即鏈窩長度設計為246 mm。

（2）加大短齒厚度。根據(jù)初設大節(jié)距鏈輪的計算數(shù)據(jù)，在電腦上繪制了大節(jié)距鏈條與鏈齒的嚙合平面圖（圖2）。發(fā)現(xiàn)“鏈窩圓弧”與“大節(jié)距圓環(huán)鏈圓弧”長度差12.2 mm，與在現(xiàn)場觀察的鏈窩與鏈環(huán)嚙合情況基本一致。鏈窩與鏈條嚙合面小從理論上得到了驗證。查閱MT 231—1991 標準，發(fā)現(xiàn)標準中“短齒厚度W”標注著“尺寸僅做參考”，即W 是可以根據(jù)情況改變的。

圖2 鏈條與鏈齒嚙合

圖2 鏈條與鏈齒嚙合圖初設大節(jié)距鏈輪時，W 取171.16，其是根據(jù)公式計算出的理論值。結(jié)合現(xiàn)場觀察到的實際使用情況，決定將鏈窩單邊加長5 mm，即短齒厚度W 加大10 mm，W取181 mm?？紤]到L 減小了約5 mm，相當于鏈窩將鏈環(huán)向后平移了2.5 mm，應該將W 再加大5 mm，取186 mm。

W 加大后，鏈環(huán)在鏈窩中嚙合面、非嚙合面與鏈窩平面的接觸長度都得到了加長，鏈齒的受力面積加大，鏈齒與鏈環(huán)局部受力減小，解決了鏈齒局部磨損嚴重問題。

經(jīng)過改變大節(jié)距鏈輪的W、L 值，鏈環(huán)與鏈齒配合面得到了加大。鏈條圓弧處局部磨損、跳鏈情況均得到了改善。

3 使用效果

將大節(jié)距鏈輪整體結(jié)構(gòu)改為由輪轂與鏈齒組合而成的分體結(jié)構(gòu)后，鏈輪維護簡單易行，更換鏈齒不用停產(chǎn)即可完成；鏈窩長度L 減小為246 mm、短齒厚度W 加大為186 mm，使鏈齒與鏈環(huán)的嚙合面加大，一套鏈齒可使用一年半，使用壽命延長了6 個月；同時，鏈條局部磨損也得到了改善，鏈條使用壽命達到了9 個月，比優(yōu)化前延長了3 個月，大大降低了維護成本。

總之，優(yōu)化設計的大節(jié)距連續(xù)提升機鏈輪，其結(jié)構(gòu)簡單、定位精確、更換鏈齒方便，提高了提升系統(tǒng)的運行平穩(wěn)性。鏈輪具備了使用壽命長、易維護、維護成本低的特點，克服了原有技術不足，為設計其他大節(jié)距鏈輪積累了實踐經(jīng)驗。