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煤炭与化工 Co al and Chemical Industry 第43卷第7期 2020年7月 Vo l.43 No .7 Jul. 2020 机电与自动化 刮板输送机驱动链轮接触应力分析与优化改进 司利鹏 （晋煤集团 寺河煤矿二号井，山西晋城048019） 摘要驱动链轮与圆环链是刮板输送机中重要的动力传输部件。采用So lidWo rks软件，对 寺河煤矿SGZ764-400型刮板输送机驱动链轮和圆环链进行建模，结合实际工况，采用 ANSYS/LS-DYNA软件分析了其运行过程中存在的问题，表明驱动链轮链窝部位存在应力集中 现象。针对该问题开展了驱动链轮的优化改进工作，降低了驱动链轮链窝位置的最大应力值, 提高了驱动链轮的耐磨性及使用寿命。 关键词刮板输送机；驱动链轮；接触应力分析；优化改进 中图分类号TD52 文献标识码B 文章编号2095-5979 （ 2020 ） 07-0082-03 Contact stress analysis and optimization improvement of drive sprocket of scraper conveyor Si Lipeng No. 2 Mine of Sihe Mine of JinchengMining Group, Jincheng 048019, China Abstract Drive spro cket and circular chain are impo rtant po wer transmissio n parts in scraper co nveyo r. So lidWo rks so ftware was used to mo del the driving spro cket and circular chain o f the SGZ764-400 scraper co nveyo r in Sihe Mine, co mbining the actual wo rking co nditio ns, with ANSYS/LSDYNA so ftware to analyze the pro blems existing in the o peratio n pro cess, which sho wed that there was a stress co ncentratio n pheno meno n in the spro cket. In respo nse to this pro blem, the o ptimizatio n and impro vement o f the drive spro cket was carried o ut, which reduced the maximum stress value and impro ved the wear resistance and service life o f the drive spro cket. Key wo rds scraper co nveyo r; drive spro cket; co ntact stress analysis; o ptimizatio n and impro vement 1概况 随着煤炭产业的高速发展和采煤效率的不断提 升，煤矿采煤设备的应用越来越广泛。刮板输送机 作为采煤工作面中重要的输送装置，其运行的安全 性、可靠性是安全高效生产的关键。驱动链轮是刮 板输送机实现煤炭运输的关键部件，运行过程中承 受大量复杂外力作用，其与圆环链啮合的位置经常 磨损，降低刮板输送机的平稳性及使用寿命。因 此，以寺河煤矿SGZ764-400型刮板输送机为例， 分析其驱动链轮接触情况，找出接触过程中驱动链 轮的薄弱环节，优化驱动链轮结构，提高刮板输送 机的可靠性，保证煤炭的高效开采。 寺河煤矿SGZ764-400型刮板输送机主要由驱动装 置、驱动链轮、圆环链、从动链轮、溜槽等部件组 成。驱动装置通电后带动驱动链轮旋转，圆环链作 为动力牵引机构在驱动链轮的作用下为其环绕驱动 链轮与从动链轮的循环运动提供牵引力。 2驱动链轮接触分析 ANSYS软件在有限元仿真分析领域应用广泛, 其子模块LS-DYNA能够模拟各种复杂工况，如受 力、温度等，以结构分析为主，分析求解得到结构 的受力状况，指导结构优化改进。本文采用 ANSYS软件的LS-DYNA模块分析寺河煤矿 SGZ764-400型刮板输送机驱动链轮和圆环链运行 责任编辑张彤 D0I ki.cci.2020.07.022 作者简介司利鹏（1984）,男，山西泽州人，助理工程师。 引用格式司利鹏.刮板输送机驱动链轮接触应力分析与优化改进[J].煤炭与化工，2020 , 43（7） 82-84. 82 司利鹏刮板输送机驱动链轮接触应力分析与优化改进2020年第7期 过程中存在的问题。 2.1接触模型建立 根据SGZ764-400型刮板输送机驱动链轮与圆 环链的实际情况，应用So lidWo rks三维绘图软件完 成三维模型的绘制，对模型进行装配，检测是否存 在干涉等问题。为了提高仿真分析的效率，对模型 作必要的简化处理。之后导入LS-DYNA分析模 块。绘制完成的驱动链轮与圆环链的啮合模型如图 ］所示，模型材料属性设置见表1。 图1驱动链轮与圆环链的啮合模型 Fig. 1 Meshing mo del o f drive spro cket and ring chain Table 1 Material parameters o f drive spro cket and ring chain 表 驱动链轮与圆环链材料参数 结构件材料密度 / kg-mT 弹性模量/MP a 泊松比剪切模量/MP a 屈服强度/MP a 圆环链23MnCrNiMo7 8602.1E50.255601 170 驱动链轮HT1507 0001.22E503144 230 2.4结果和分析2.2网格划分 由于驱动链轮与圆环链啮合结构较为复杂，为 了避免网格划分时出现问题，采用自由划分网格。 本文重点研究驱动链轮与圆环链啮合接触位置的应 力分布情况，划分网格之前设置驱动链轮轮毂部分 的单元格棱长为10 mm,设置参与啮合的轮齿与圆 环链的单元格棱长为3 mm,目的是减少仿真计算 时间，提高仿真结果的准确性。网格划分结果如图 2所示。 图2驱动链轮与圆环链网格划分结果 Fig. 2 Mesh divisio n result o f drive spro cket and ring chain 2.3接触、边界条件、载荷的设置 施加载荷之前需要完成节点与单元组件的设 置，此处建立1个链轮和10个圆环链组件。链轮 轮齿与链环之间、链环与链环之间的接触设置为 Surface-Surface自动接触算法，不需人为设置接触 方向。定义接触过程中的静摩擦系数和动摩擦系数 分别为0.3和0.2。根据刮板机链轮运行实际情况， 计算得到圆环链所受拉力F7.3F7.3 kN,旋转速度 70.76 m/s,假设链轮沿z轴逆时针方向运转，旋 转速度为64.3r/min,主动端为链轮上端。仿真计 算时长设置为0.1 s,划分为22个子步求解。 驱动链轮与圆环链啮合接触仿真结果如图3所示。 99017.5 879E08 176E09264E09351E09 439E09527E09615E09 703E4W 790E09 图3链轮与圆环链应力云图 Fig. 3 Stress nepho gram o f chain wheel and ring chain 由图3可以看出，应力最大值为790 MP a,应 力集中出现在啮入端链轮与圆环链接触区域，即链 窝位置。因链传动存在多边形效应，连续运转时存 在交变载荷，导致圆环链的直臂与弯臂的过渡位置 的应力也较高。 为了清晰的观察驱动链轮的应力分布状态，提 取驱动链轮的应力分布云图，如图4所示。 “17-5 272E08 逊38 豳他 108E09 135E09 162E09 189E09 217EM 图4驱动链轮应力云图 Fig. 4 Stress nepho gram o f drive spro cket 83 2020年第7期煤炭与化工第43卷 由图4可以看出，驱动链轮中存在一对轮齿应 力较大，最大应力位于链窝位置，出现该现象说明 驱动链轮在传递驱动力与运动的过程中，仅有一组 轮齿与圆环链作用。链窝位置在窝底平面以及过渡 面靠近立环槽的区域所受应力值较大，驱动力其它 位置的应力值较小，其中应力最大值为244 MP a, 应力最小值接近0o 综合所述，应力集中出现在链传动系统紧边链 窝位置，除此之外的位置应力分布变化不大，说明 驱动链轮与圆环链啮合传动过程中，驱动轮的紧边 轮齿承受较大载荷，并且链窝靠近环槽位置的受力 最大，最大应力为244 MP a,超过了链轮材料的屈 服强度230 MP a0该处的应力集中不仅会加速链轮 传动过程中的磨损，还有被压溃的可能性，降低了 链传动的可靠性及使用寿命。因此需对驱动链轮进 行优化改进，降低驱动链轮运行过程中的最大接触 应力值，提高驱动链轮的可靠性。 3优化改进 针对寺河煤矿SGZ764-400型刮板输送机驱动 链轮张紧一侧链窝应力集中问题，结合实践经验并 查阅相关资料，对驱动链轮链窝结构进行优化。将 驱动链轮齿形圆弧半径由29 mm增加至29.3 mm, 短齿厚度由44 mm增加至44.7 mm,驱动链轮链窝 长度由82 mm增加至83 mm。 对优化后的驱动链轮和圆环链进行有限元仿真 计算，如图5所示。 50746.6 820E08164E09 246E09 328EO9 410E09 492E49 574E09 656E09 738E09 图5优化后驱动链轮与圆环链啮合接触应力分布云图 Fig. 5 Meshing co ntact stress distributio n o f the o ptimized drive spro cket and ring chain 由图5可知，相同仿真分析条件下，优化后的 驱动链轮与圆环链啮合传动过程中应力主要分布于 圆环链紧边以及驱动链轮的一对轮齿区域，应力最 大值为738 MP a,比优化前的790 MP a降低了 6.58,优化效果明显。 为了清晰的观察优化驱动链轮的应力分布状 态，提取优化驱动链轮的应力分布云图，如图6 所示。 91875 265E38 828E8 792E38 应約 132E09 ”唤 185曲 211E09 图6优化驱动链轮应力分布云图 Fig. 6 Stress distributio n clo ud map o f o ptimized drive spro cket 可以看出，相同仿真分析条件下，优化后应 力最大值为211 MP a,相较于优化之前244 MP a 降低了约13.5 。优化后的驱动链轮的最大应力 值小于驱动链轮的屈服强度230 MP a,能够保证 传动过程中链轮轮齿的性能，降低驱动链轮轮窝 的磨损速度，提高驱动链轮啮合传动的安全性、 可靠性。 4结 语 本文应用So lidWo rks软件对寺河煤矿 SGZ764-400型刮板输送机驱动链轮和圆环链进行 建模，结合其实际工况，采用ANSYS/LS-DYNA 软件分析了运行过程中存在的问题，并对应力集 中问题进行驱动链轮的优化改进工作。通过对驱 动链轮齿形圆弧半、短齿厚度、链窝长度的改进， 使驱动链轮链窝位置的最大应力值降低了 13.5, 改进效果显著，提高了驱动链轮的耐磨性及其使 用寿命。 参考文献 [1] 王淑平，杨兆建.刮板输送机驱动链轮磨损与啮合力学行 为[J].煤炭学报，2014, 39 1 166 - 171. 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