刮板输送机驱动链轮结构的优化研究分析

王九怀

（山西中阳华润联盛南山煤业有限公司， 山西 吕梁 033000）

1 驱动链轮磨损失效分析

驱动链轮主要的失效形式为磨损、压溃及断齿。其中磨损又可分为内部磨粒磨损和表面疲劳磨损，疲劳磨损则是由于当圆环链与链轮链窝接触时，在其接触表面出现最大压应力，同时最大的切应力出现在表层下。长此以久后接触表面在切应力的作用下出现裂缝，形成表面磨损。而颗粒磨损则是由于链轮在工作时，硬物质颗粒造成链轮和圆环链接触位置出现摩擦，造成磨粒磨损[1-3]。驱动链轮的磨损情况直接关系到其寿命情况，所以驱动链轮工作越平稳链轮的寿命越长。

2 驱动链轮数值模拟研究

为了有效地提升驱动链轮的使用寿命，通过采用ANSYS数值模拟软件对驱动链轮在工作过程中的力学特性进行分析，通过分析断齿的厚度、齿形的圆弧半径等结构参数，确定了驱动链轮最优的结构设计方案。

首先进行建模过程，选用圆环的材料为23MnCrNiMo，材料的弹性模量为210 GPa，密度为7 860 kg/m3，材料的泊松比为0.25。选用驱动链轮的材料为30CrMnTi，材料的弹性模量为206 GPa，密度为7 860 kg/m3，材料的泊松比为0.3。完成参数设定后对模型进行网格划分，网格划分时要充分考虑电脑的计算性能及模拟所需的计算精度。选择在轮齿、齿根、圆环链等位置进行网格细化分。网格划分完成后对模型的相互作用进行设置，设置链环与链轮间为摩擦接触，静摩擦系数及动摩擦系数分别为0.3、0.2。给定链条的作用力为7.3 kN。完成设置后对模型进行模拟计算，计算的结果如图1所示。

图1 优化前应力（Pa）变化云图

从图1可以看出，在驱动部件运行时，链轮的链窝位置应力较大，同时在链窝侧部靠近中间立槽的位置出现应力最大值，其余位置的应力较小。对驱动部件进行优化，选择正交优化[4]的方案对齿根圆半径、短齿的厚度、链窝弧半径及齿根圆弧半径进行优化。首先命名短齿的厚度为A、齿根圆半径为B、齿根圆弧半径为C、链窝弧半径为D，分别选取A、B、C、D四种结构参数的三个水平。正交参数水平表如表1所示。

表1 正交参数水平表

按照正交的原则对各种条件进行数值模拟，根据模拟结果发现短齿的厚度对模拟的结果影响较小，这是由于在链轮与圆环接触后，此时的应力最大值出现在链窝的侧端部，当驱动链轮运行平稳性较差时，此时的链窝底部与链环间的摩擦增大，齿根部的应力集中现象相较与其余部位最大，当加大齿根圆弧的半径后，此时的链轮的受力由侧端部转移至链窝地面的位置。所以齿根圆半径、齿根圆弧半径、链窝弧半径三个参数对模拟应力的影响最大，且齿根圆弧半径是影响最大的因素。

所以仅对齿根圆半径、齿根圆弧半径、链窝弧半径的抛物线曲线拟合。拟合的结果如表2、表3及表4所示。

表2 齿根圆半径拟合曲线表

表3 齿根圆弧半径拟合曲线表

表4 链窝弧半径拟合曲线表

根据正交实验的模拟结果及齿根圆半径，齿根圆弧半径，链窝弧半径的抛物线曲线拟合得出了参数的最佳设计参数，齿根圆半径6.7 mm，齿根圆弧半径30 mm，链窝弧半径24.1 mm。按照最优的设计参数进行驱动链轮的建模，对所建模型进行计算，计算结果如图2所示。

根据云图可以看出，刮板输送机的驱动链轮整体应力分布较为均匀，仅在链窝侧部靠近中间立槽的位置出现应力集中。优化前的链轮最大应力为168.2 MPa，同时最大应变为1.142 mm，优化后的链轮最大应力值降低至156.7 MPa，同时最大应变为1.078 mm，最大应力减小了6.57%，最大应变减小了6.84%。通过优化有效的降低了驱动链轮的最大应力值，保证了驱动链轮的平稳运行，提升了刮板输送机驱动链轮的使用寿命。

图2 优化后链轮应力（Pa）云图

3 结论

1）分析了驱动链轮的磨损形式及其失效原因，并给出了疲劳损伤与寿命的关系曲线及损伤经验公式，为提升驱动链轮的使用寿命作出贡献。

2）通过对齿根圆半径、齿根圆弧半径、链窝弧半径等参数的正交实验，找出了最合理的参数，并给出了齿根圆半径，齿根圆弧半径，链窝弧半径的拟合曲线。

3）对优化前后的应力云图进行分析发现，优化后的链轮最大应力值降低至156.7 MPa，同时最大应变为1.078 mm，最大应力减小了6.57%，最大应变减小了6.84%。