摘 要：針對(duì)礦山生產(chǎn)中十分常用的刮板輸送機(jī)設(shè)備，在介紹其構(gòu)成和工作原理的基礎(chǔ)上，采用建模和模擬的方法確定其鏈輪鏈環(huán)嚙合情況及存在的問題，然后提出相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)措施，最后經(jīng)模擬驗(yàn)證了優(yōu)化改進(jìn)措施的合理性與有效性，旨在為實(shí)際的刮板輸送機(jī)優(yōu)化改進(jìn)工作提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：礦山生產(chǎn);刮板輸送機(jī);鏈輪鏈環(huán)嚙合;UG軟件;優(yōu)化改進(jìn)

1 刮板輸送機(jī)構(gòu)成與工作原理

礦山開采中，刮板輸送機(jī)實(shí)際應(yīng)用十分廣泛，在礦山生產(chǎn)中屬于重要裝置類型。在刮板輸送機(jī)當(dāng)中，刮板鏈為主要驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)際使用中，因工作環(huán)境條件比較復(fù)雜且惡劣，在鏈輪及鏈條的嚙合過程中容易產(chǎn)生一些故障問題。這就需要在實(shí)際工作中根據(jù)刮板輸送機(jī)實(shí)際情況，通過模擬分析做好優(yōu)化改進(jìn)。刮板輸送機(jī)主要由四個(gè)部分構(gòu)成，即機(jī)頭、中間、機(jī)尾與附屬部分，鏈輪與鏈條主要出在機(jī)頭與中間處[1]。刮板輸送機(jī)的主要構(gòu)成如圖1所示。

溜槽主要作用在于對(duì)物料進(jìn)行承載，采用鏈輪與鏈條作為牽引機(jī)構(gòu)，在鏈條上設(shè)置刮板。正常工作時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下使鏈輪開始旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，鏈輪和鏈條之間的嚙合作用使鏈條進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)物料輸送。受鏈輪驅(qū)動(dòng)作用，刮板鏈一直進(jìn)行閉合循環(huán)，物料在機(jī)尾處裝載，到達(dá)機(jī)頭處后進(jìn)行卸載[2]。

2 模型構(gòu)建

對(duì)型號(hào)為SGZ800/800的刮板輸送機(jī)實(shí)施研究與分析，以尺寸大小為依據(jù)，借助UG建模工具進(jìn)行三維模型的構(gòu)建。在畫出鏈環(huán)的中心線以后，因鏈環(huán)的結(jié)構(gòu)可以做到上下和左右均對(duì)稱，所以僅需畫出1/4草圖。將中心線上某個(gè)端點(diǎn)作為基準(zhǔn)，在它的垂直方向上建立基準(zhǔn)面，在這個(gè)基準(zhǔn)面上將中心線的端點(diǎn)作為圓心，對(duì)鏈環(huán)形狀進(jìn)行繪制。利用UG軟件具有的掃掠功能，將圓形輪廓作為基礎(chǔ)，以中心線為進(jìn)行掃掠的路徑實(shí)施掃掠，以此建立1/4鏈環(huán)。利用UG軟件具有的鏡面功能，將之前得到的鏈環(huán)作為基礎(chǔ)，建立完整的鏈環(huán)[3]。

相較于鏈環(huán)，鏈輪模型比較復(fù)雜，但也可以借助UG模型來建模。首先，在UG軟件當(dāng)中畫出一個(gè)草圖，并在草圖上對(duì)直徑方向上的輪廓線進(jìn)行繪制，然后借助軟件具有的回轉(zhuǎn)體功能確定鏈輪整體形狀;將鏈輪的斷面作為基準(zhǔn)面，在這一基準(zhǔn)面上對(duì)鏈輪的輪廓線進(jìn)行繪制，同時(shí)用軟件具有的拉伸功能將齒槽挖出，將這一齒槽作為基礎(chǔ)，通過對(duì)軟件具有的陣列功能的應(yīng)用，對(duì)其他齒槽進(jìn)行繪制;在鏈環(huán)和鏈輪之間的結(jié)合對(duì)稱面進(jìn)行基準(zhǔn)平面的創(chuàng)建，在這一平面上對(duì)平環(huán)輪廓線進(jìn)行繪制，并選擇某一端點(diǎn)建立嚙合。利用軟件具有的掃掠功能建立鏈窩，并利用軟件具有的陣列功能建立其他鏈窩，不斷對(duì)鏈輪其他結(jié)構(gòu)予以完善，包括鍵槽與軸孔。

借助UG軟件完成對(duì)三維模型的構(gòu)建后，在軟件當(dāng)中實(shí)施有限元建模，包括材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置。對(duì)鏈條和鏈輪根據(jù)裝配位置關(guān)系實(shí)施定位，再對(duì)其實(shí)施網(wǎng)格劃分。在這一模型中，采用有10個(gè)節(jié)點(diǎn)的四面體單元為嚙合模型實(shí)施網(wǎng)格劃分，同時(shí)對(duì)劃好的網(wǎng)格實(shí)施檢查和修復(fù)，保證計(jì)算能夠順利完成。以實(shí)際生產(chǎn)制造所用材料為依據(jù)在軟件當(dāng)中進(jìn)行材料屬性的設(shè)置，鏈條所用材料為23MnNiMo54鋼，這種材料的彈性模量為2.10×1011Pa，泊松比為0.3，屈服極限為1200MPa;鏈輪所用材料為30CrMnTi鋼，其彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，屈服極限為2300MPa。以鏈輪與鏈條具體工作情況為依據(jù)對(duì)初始與邊界條件進(jìn)行設(shè)置，固定鏈輪位置，將所有外界載荷均施加于鏈環(huán)，采用108t的載荷。將參數(shù)與條件都設(shè)置好并檢查確認(rèn)無誤后，方可開始計(jì)算，以獲得相應(yīng)的結(jié)果[4]。

3 結(jié)果分析

為防止鏈輪和鏈環(huán)相嚙合時(shí)長環(huán)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)鏈輪進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中一般要求鏈輪和鏈環(huán)之間的重合度應(yīng)保持1以內(nèi)。輸送機(jī)正常工作時(shí)，其工作環(huán)境相對(duì)較差，對(duì)具體的工況很難進(jìn)行預(yù)估?；诖?，在進(jìn)行模擬計(jì)算的過程中，應(yīng)進(jìn)行必要的簡化處理，即每次有且只有一個(gè)圓環(huán)鏈平環(huán)參與到嚙合的過程。根據(jù)鏈輪與鏈條正常工作時(shí)嚙合面實(shí)際應(yīng)力與應(yīng)變情況，從整體上看，鏈輪和鏈環(huán)之間的嚙合面，其位移的分布情況較為均勻，但在不同區(qū)域中，應(yīng)力與應(yīng)變的實(shí)際分布卻有著明顯的差異。導(dǎo)致這種情況的主要原因?yàn)閷?duì)鏈輪和鏈環(huán)進(jìn)行生產(chǎn)制造時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸的實(shí)際匹配度相對(duì)較低，工作時(shí)，使立環(huán)內(nèi)側(cè)周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中。為延長鏈輪自身使用壽命，需在生產(chǎn)制作過程中對(duì)表面予以特殊處理，使包面上形成一個(gè)厚度在5-15mm范圍內(nèi)的淬硬層，然而，由于應(yīng)力集中，所以會(huì)使這個(gè)淬硬層發(fā)生脫落，導(dǎo)致鏈輪的使用壽命受到很大影響。

4 優(yōu)化改進(jìn)

通過以上分析可以看出，如果鏈輪和鏈環(huán)的尺寸未能達(dá)到良好匹配，將在嚙合時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中的情況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生提前損壞?；诖?，有必要對(duì)嚙合牙形予以適當(dāng)?shù)膬?yōu)化改進(jìn)處理，將平環(huán)窩槽整改成橢圓的形狀，根據(jù)外界載荷實(shí)際情況和鏈條生產(chǎn)制作過程中所用材料具有的物理性質(zhì)對(duì)橢圓具體形狀和尺寸大小進(jìn)行確定，以此在荷載力相對(duì)較大的情況下可以良好貼合，增加嚙合面上的有效嚙合面積，確保嚙合面上的壓力得以均勻的分布[5]。

采用以上方法完成優(yōu)化改進(jìn)之后，按照以上提到的建模及模型方法重新進(jìn)行模擬分析。通過模擬分析可以看出，完成對(duì)嚙合牙形的有效優(yōu)化改進(jìn)之后，嚙合面上的應(yīng)力與應(yīng)變無論是極值還是平均值均得到一定程度的降低，采用優(yōu)化改進(jìn)之后的牙形，能有效減小或避免應(yīng)力集中，使整個(gè)結(jié)構(gòu)件的實(shí)際運(yùn)行保持穩(wěn)定，防止鏈輪和鏈條在工作時(shí)產(chǎn)生硬化層剝落。

5 結(jié)語

說綜上所述，借助UG軟件對(duì)型號(hào)為SGZ800/800的刮板輸送機(jī)進(jìn)行鏈輪和鏈環(huán)之間的嚙合實(shí)際情況予以模型建立與分析，根據(jù)實(shí)際情況通過分析確定了在實(shí)際使用中存在的若干問題，其主要表現(xiàn)為嚙合牙形由于不匹配使嚙合面上產(chǎn)生應(yīng)力集中的情況，導(dǎo)致硬化層因此大面積脫落，不僅影響結(jié)構(gòu)件正常使用，而且還會(huì)造成一定程度的提前損壞，縮短結(jié)構(gòu)件使用壽命，造成經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于這一實(shí)際問題進(jìn)行有針對(duì)性和目的性的優(yōu)化改進(jìn)，通過對(duì)嚙合牙形的適當(dāng)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變實(shí)際狀態(tài)的有效改善，使嚙合面實(shí)際受力保持均勻，防止應(yīng)力集中現(xiàn)場的發(fā)生，延長結(jié)構(gòu)件實(shí)際使用壽命。

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作者簡介：

馮嘉敏（1992- ），女，籍貫：山西省大同縣，畢業(yè)院校：2016年7月畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，就讀機(jī)械工程專業(yè)，學(xué)士學(xué)位，職稱：助理工程師，工作單位：同煤集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司調(diào)度室，從事工作及研究方向：煤礦機(jī)械方向。