基于Workbench的刮板输送机链轮动力学分析

2021-09-21马朝峻

机械管理开发 2021年8期

马朝峻

（大同煤矿集团有限责任公司综采装备安装分公司，山西大同 037000）

引言

刮板输送机作为一种在煤矿开采中被广泛使用的运送散料的设备，是现代化采煤工业中不可或缺的重要设备。刮板输送机必须保持连续运转，这样与它相关的生产才能正常进行[1-2]。一旦刮板输送机出现故障，对下游的生产作业会造成巨大影响，甚至是停产。驱动链轮在工作时受力情况复杂，其作为易损件，常常造成链轮与链条的过度磨损，从而导致链轮失效或链条断裂[3]。因此，需要了解驱动链轮与链条在拟合过程中整个动态的变化。

1 常见链轮的失效形式

与齿轮的失效形式相似，刮板输送机驱动链轮的主要失效形式包括磨损、压溃、齿根断裂等，以下分别对3 种常见的链轮失效形式作简要说明[4]。

1.1 磨损破坏

磨损在链轮工作中是不可避免的，因工作环境会产生一些微小固体颗粒掉落在链轮与链条接触的链窝中，在循环载荷的作用下，在轮齿表面形成凹坑。凹坑进一步发展，形成微裂纹，从而不断扩散，最后导致断裂失效。

1.2 压溃失效

压溃失效通常是指工作载荷过大或链轮本身结构问题在加工工艺的处理上有些问题。链轮容易受到由链条传递而来的冲击载荷，从而导致链轮产生塑性变形，变形之后的形状与原链条的形状并不契合，从而导致齿面压溃。

1.3 齿根断裂

齿根断裂是指链轮在不断微小冲击反复作用下，经过一定的循环次数，链轮轮齿发生疲劳断裂的现象。

与齿轮结构类似，驱动链轮的结构设计参数包括齿数、节圆直径、分度圆直径、齿宽、齿厚等，链轮的优化从这些设计参数入手[5]。

2 瞬态动力学分析

瞬态动力学分析问题主要是将连续的时间周期分为多个时间间隔，可以求解结构在不同时间对应不同的载荷工况下的应力分布。在模型分析中，如果阻尼与惯性均不影响分析结果，则可以使用多状态下的静力分析代替瞬态动力学分析[6]。

因此，以GB20型刮板输送机为研究对象，在ANSYS Workbench 中创建链轮与链条接触瞬态动力学分析模型，首先基于Solid works 建立链轮与链条的三维模型，然后将模型导入Workbench，创建瞬态分析”Transient”模块，链条的材料是23MnCrNiMo，泊松比μ=0.25，弹性模量E=210 GPa。驱动链轮的材料选择30GrMnTi，弹性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.30。

模型采用自动划分网格技术，并对两模型相互接触地方的网格进行优化。将导入模型时自动生成的接触设置删除，在链轮与链条之间创建摩擦接触，设置摩擦系数为0.2。然后在模型工具栏中的Body-Ground 设置链轮轴心为转动副，链轮与链条啮合模型示意图如图1 所示。

图1 转动副的设置

设置载荷与边界条件，链条所受拉力F=7.4 kN，链条线速度设置为0.81 m/s，仿真时间设置为2 s，步长设置为20，链轮转动副载荷设置为65.4 r/min。

由图2 表明，最大应力值为282.69 MPa，最大应力位于链条与链轮接触区的链窝侧面，所以可以推断链条与链轮在该区域会有较大的摩擦损耗。

图2 瞬态分析结果

3 静态分析

为研究链轮每旋转一个小角度时，链轮与链条之间接触应力分布情况。在创建模型时，以链窝与水平面平行时设为0°，依次每增加2°设置一个模型。一直到链轮与链条相接触到脱离为止。模型材料参数前文中已提到，对所有模型进行求解，得到各个角度下的应力分布。在此不再对每个角度的模型计算结果进行展示，只列出2°、4°、12°、14°的应力分布图，如图3 所示。

图3 不同旋转角度应力分布情况

从所有角度计算结果来看，最大应力点均出现在链轮与链条相接触的区域，也就是链窝位置。为了探究在链轮旋转过程中链窝中应力变化情况，另选接触区域的6 点作为应力记录点。从统计6 点应力分布情况来看，应力随链轮旋转角度的分布情况较相似，应力最大值点为施加力的链窝底面位置，其应力随旋转角度的分布情况如图4 所示。

由图4 可以看出：链轮从32°旋转到46°时，应力变化明显；平均应力为194.36 MPa。链窝的最大应力常出现在中部槽两侧的侧面及靠近侧面的底面上，这反应了链轮接触点上应力随链轮旋转的特征，且只有当轮齿与链条直接啮合接触时，应力才急剧增加。

图4 链窝侧面与底面应力随转动角度分布

综合分析6 个观察点的应力情况可以得到，链窝最下面的最大应力是齿根圆弧面上观察点应力的2 倍，说明接触面是圆弧面且与链条面面接触，此时对应力具有缓解的作用。链轮的磨损自然会减弱，而在链窝最下面的点，其应力出现集中的情况。说明对于链轮轮齿的结构设计应尽量采用平滑过渡，以此减少磨损。

4 优化后链轮接触分析

根据对刮板输送机运行过程中对链轮与链条啮合过程进行受力分析，从问题的出发点入手，对链轮的结构优化是为了减小链轮与链条之间的接触应力。常规分析可以确定驱动链轮的主要承载位置，从而可以选择决定链轮轮齿结构设计的重要参数。

依据本文中多角度静态分析结果，同时提取了接触位置6 个参考点应力随旋转角度的对应关系，研究得到链窝是整个链条与链轮啮合过程中应力最大的区域。所以在此选择齿厚、齿形圆半径、链窝弧半径3 个参数来设计优化仿真试验。希望通过改变这3 个参数后，链轮与链条的拟合应力能够进一步得到减小。

如图5 所示，计算结果也表明链轮接触应力对链窝弧的半径敏感度最强，将单一参数作为最优解。本文中选择对链轮的链窝弧半径进行优化。设计中任然采用最原始的列举法，建立不同参数值的模型进行分析对比，获得相对最优的结果。

图5 修改单参数下与原链轮应力情况

链轮优化后齿形圆弧半径30 mm，链窝弧半径24.5 mm。下页图6 所示为优化后链轮与原版应力值对比情况。优化后在整个啮合旋转过程中，应力均有明显减小，在应力最大值点，减小度最为明显。原始状态下最大应力值为84.2 MPa，优化后最大应力值为58.4 MPa，由此可得优化模型对链轮性能提升明显，对刮板输送机的设计具有重要参考意义。