李 澤

（大同煤礦集團朔煤小峪煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 038300）

引言

煤礦資源作為國家快速發(fā)展的重要能源，實現對其資源的大量開采，已成為提升國家綜合實力，實現經濟快速增長的關鍵方向。礦用刮板輸送機作為煤礦開采的的三大礦機之一，保障其設備的高效、安全運行，成為企業(yè)重點考慮問題[1]。然而，刮板輸送機中的減速器箱體在使用過程中，由于受到較大的外部載荷沖擊作用，加上該部件的長時間超負荷運行，導致其結構出現了不同程度的局部變形、裂縫等失效現象，此事故一旦發(fā)生，將給煤礦的開采效率及作業(yè)安全構成嚴重威脅[2]。為此，結合當前成熟的有限元分析技術，對減速器箱體進行結構性能研究顯得十分必要。因此，以SGZ800 型刮板輸送機為分析對象，在對該設備中的減速器箱體特性分析基礎上，開展了減速器箱體在不同工況條件下的結構性能研究，并對箱體進行了優(yōu)化改進設計，這對提升減速器箱體的結構性能具有重要作用。

1 減速器箱體結構特性分析

刮板輸送機的減速器箱體結構較為復雜，包括輸入箱體、輸出箱體、定位鍵、中間箱體、定位蓋等部分，各部分之間通過螺栓進行剛性連接，通過箱體上定位鍵及定位蓋上的卡口，可將其固定在刮板輸送機上的機架上[3]。而減速器箱體是整個刮板輸送機上的關鍵部件，在設備運行過程中起到重要的支撐、齒輪保護及減振等作用，保證其結構具有較強的結構強度及剛度至關重要[4]。其中，箱體內部由于存在一套較為完整的齒輪傳動系統(tǒng)，嚙合過程中會通過傳動軸將沖擊作用力傳遞至箱體結構上，導致箱體在整個過程會產生不同程度的振動現象，隨著運行時間的加長及自身結構質量缺陷，導致箱體出現了結構失效現象。箱體的失效包括靜態(tài)和動態(tài)失效，而動態(tài)失效則是由于箱體受到外部不同程度的連續(xù)沖擊所致。在減速器箱體的設計及生產中，經常會采用增加箱體的結構厚度及內部加強筋設計等，這雖一定程度上保證了箱體具有更高的結構性能，但也增加了部件的材料耗損及生產成本。利用當前成熟的分析技術，使減速器箱體結構的綜合性能得到顯著提升，并實現結構的輕量化設計，已成為當前在部件結構設計中重點考慮問題。因此，對減速器箱體進行結構性能研究顯得十分必要。

2 減速器箱體的模型建立

2.1 三維模型建立

為進一步分析減速器箱體在使用過程中的結構性能，采用SOLIDWORKS 軟件，選用SGZ800 型刮板輸送機為分析對象，對該設備中的減速器箱體進行三維模型建立，主要包括箱體輸入、輸出、中間、定位鍵及定位蓋等部分[5]。由于箱體的結構相對復雜，為提高后文對結構的網格劃分質量及分析精度，對箱體上的圓角、倒角、非關鍵部位的較小圓孔進行模型簡化，僅保留了箱體上的關鍵部件，不僅縮短了箱體的分析時間，也避免了出現結構上的局部應力集中現象，保證了箱體的分析結果更加符合實際使用環(huán)境。所建立的減速器箱體三維模型如下頁圖1 所示。

2.2 仿真模型建立

將建立的箱體三維模型導入至ABAQUS 軟件中，對其進行有限元仿真模型建立。在該軟件中，首先對模型中各模塊間進行固定約束，使其連接緊固。結合箱體的實際使用材料，將其材料設置為Q460 鋼材料，保證所建立的模型符合箱體的實際情況，箱體材料的關鍵參數如下頁表1 所示[6]。

結合箱體的結構特點，在軟件中對其進行了四面體網格劃分，關鍵部位的網格大小設置為10 mm，非關鍵部位的網格大小設置為12 mm，最終劃分的四面體單元為1 345 345 個，箱體的網格劃分圖如圖2 所示。

圖1 減速器箱體三維圖

表1 Q460 鋼材料主要性能參數

圖2 減速器箱體網格劃分圖

3 不同工況下箱體的結構性能分析

箱體的實際運行工況相對較多，故主要對箱體在額定工況及最大工況條件下進行結構性能研究。在額定工況下，在輸入箱體上施加的轉矩為3×108N·mm，分析時間設置為0.15 s，而最大工況條件下則在出入箱體上施加3.85×108N·mm 的轉矩，其他條件相同。

3.1 箱體額定工況下結構應力分析

通過分析，得到了箱體在額定工況下的結構應力變化圖，如圖3 所示。由圖可知，箱體整體結構出現了應力分布不均勻現象，其中，中間箱體上的定位鍵及定位蓋等區(qū)域的應力相對更高，沿中間箱體的四周呈逐漸減小的變化趨勢，分析其原因為定位鍵附近是整個結構的受力部位，外界的箱體重力及傳動載荷力基本集中在定位鍵上及定位蓋上。箱體的輸出箱體上的中間過渡連接處及連接螺栓處也出現了一定的應力集中現象，但相對較小。由此得出，箱體中間定位蓋及定位鍵附近為整個結構的薄弱部位，隨著箱體的長時間無規(guī)律運轉，極可能率先在此區(qū)域發(fā)生結構變形或開裂等失效現象，影響刮板輸送機的運行效率。

圖3 箱體額定工況下的結構應力圖

3.2 箱體最大工況下結構應力分析

圖4 為箱體在最大工況下的結構應力變化圖。由圖可知，箱體在最大工況下的結構變化規(guī)律與額定工況下基本相同，整體結構也出現了更為明顯的應力分布不均勻現象，箱體中部的定位鍵及定位蓋的應力最大，在中間箱體的兩端也出現了較為明顯的應力集中。而箱體輸出箱體的中部的應力值也相對較大。由此可知，箱體在最大工況下更容易率先在定位鍵及定位蓋附近出現結構變形或開裂現象，輸出箱體的中部區(qū)域也相對薄弱，需對箱體進行結構優(yōu)化改進研究。

圖4 箱體最大工況下的結構應力圖

4 箱體的優(yōu)化改進分析

結合前文分析，箱體在兩種工況條件下均出現了較大程度的應力集中現象，且應力值超過了材料的屈服強度，箱體的長期運行使用，將給刮板輸送機的高效運行造成重要威脅。為保證箱體的安全運行，對其進行了結構優(yōu)化改進設計，優(yōu)化改進后的中間箱體和輸出箱體圖如圖5 和圖6 所示。主要包括如下幾點：

1）將箱體的材料由現有的Q460 改變?yōu)閺姸雀叩?0Cr 材料，可有效提高材料的屈服強度，以滿足箱體在不同工況下使用需求；

2）將箱體定位蓋的厚度增加2 mm，并增加定位鍵的鍵寬和鍵深約2 mm；

3）對箱體上輸入箱體的前后側面進行減薄，內部隔板厚度增加3.5 mm，而輸出箱體與及機架連接處鉆Φ10 mm 的螺紋孔，以實現兩部件的更牢固連接；

4）在減速器箱體上應力集中周邊的非關鍵區(qū)域開設直徑為2～3 mm 的通孔，形成塑性鉸，使得集中應力向此小孔處進行轉移，以實現對集中應力的有效緩解。

圖5 改進后的中間箱體

圖6 改進后的輸出箱體

5 結論

結合設備現場使用出現的故障問題，不斷對其結構性能進行分析研究，是有效保證設備高效及安全運行的重要方法。在刮板輸送機減速器箱體使用過程中，定期對其進行故障檢測及維護保養(yǎng)，發(fā)現其結構出現變形或開裂等故障失效現象時，應及時采用有效的維修措施，并對結構失效原因進行分析研究，找到其失效規(guī)律。為此，以SGZ800 型刮板輸送機為分析對象，對其設備中的減速器箱體在不同工況下進行了結構性能研究，得出了箱體的定位蓋、定位鍵出現了較大的應力集中現象，為整個箱體中的最為薄弱部位，并由此對箱體進行了結構優(yōu)化改進設計。此研究對提升減速器箱體的結構性能具有重要作用。