任晋平
（山西焦煤集团汾西矿业 贺西煤矿，山西 柳林 033300）
煤炭掘进工作基本实现了机械化，减轻了工作人员的劳动强度，但依然存在安全隐患。刮板输送机作为煤炭掘进过程中的关键输送设备，其工作周期长、工况恶劣，运行过程中容易出现故障。统计结果显示，刮板输送机故障中传动系统的故障率最高，能够占到50%左右，其中链轮磨损故障较为严重。链轮为铸造件，易发生损坏，故障率约占传动系统的32.5%。贺西煤矿SGB620/40T 型刮板输送机设计长度为100 m，输送量为150 t/h，链速0.86 m/s，工作中链轮磨损问题严重，针对这一问题，开展原因分析与改进策略研究。
2.1 三维模型建立
刮板输送机链轮与圆环连的结构较为特殊，直接采用ANSYS 仿真计算软件进行建模较为麻烦，因此，以SGB620/40T 刮板输送机的驱动链轮作为研究对象，借助Pro/E 三维软件进行链轮和圆环连建模，之后进行装配形成刮板链，最后另存为.stp格式文件导入ANSYS 仿真软件进行前处理即可。
2.2 材料属性
根据SGB620/40T 刮板输送机实际情况，链轮采用30CrMnTi 合金钢，该材料调质渗碳处理之后具有外硬内韧的特点，综合力学性能优良，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.31，屈服强度为783.2 MPa；
与链轮配合使用的圆环连材料为23MnCrNiMo 合金钢，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.30，屈服强度为1 206.3 MPa。
2.3 网格划分
网格划分作为有限元仿真分析的重要环节，其质量好坏直接关系后续计算效率及结果。链轮和圆环链结构较为复杂，全部等尺寸划分网格对后续计算时间影响较大。因此，对链轮与圆环链装配整体进行自由划分，对链轮与圆环链啮合位置进行网格细化，设置单元格尺寸为3 mm。网格划分之后的有限元仿真模型如图1 所示。
图1 有限元仿真模型Fig.1 Finite element simulation model
2.4 边界条件与载荷施加
根据链轮与圆环链实际工况，进行有限元模型的边界条件设置，在链轮与圆环链运行啮合过程中，在平环和立环、轮齿和链环之间存在接触关系，将其设置为Frictional 接触，摩擦系数为0.2。设置链轮为绕Z 轴的转动，驱动链轮同时施加1843.2 N·m 扭矩载荷。
完成刮板输送机链轮与圆环链仿真模型前处理之后即可进行仿真计算，模拟链轮与圆环链装配体不同工况下的受力情况，待仿真计算结束之后提取链轮的等效应力、应变和总变形分布云图，进一步分析链轮磨损严重的原因。
3.1 链轮等效应力分布结果
贺西煤矿SGB620/40T 型刮板输送机链轮不同工况下的等效应力分布云图如图2 所示。由图2 可以看出，所有工况条件下链轮运动过程中最大等效应力均出现在链轮链窝的边缘位置，最大应力值为293.32 MPa，即刮板输送机在启动、平稳运行、制动和卡链工况运行时，链轮链窝均存在应力集中现象，是链轮链窝磨损问题出现的主要原因。链轮轮齿从齿顶位置到齿根位置的应力变化差距很大，究其原因可能是传动系统运转时，特殊的链条结构存在多边形效应，同时，实际工作过程中受到多因素的影响导致载荷多变。
图2 不同工况下链轮等效应力分布云图Fig.2 Equivalent stress distribution nephogram of sprocket under different working conditions
3.2 链轮等效应变分布结果
刮板输送机链轮不同工况下的等效应变分布云图如图3 所示。由图3 可以看出，所有工况条件下链轮运动过程中最大等效应变均出现在链轮链窝的边缘位置，与等效应力分析结果中的应力集中位置一致。
图3 不同工况下链轮等效应变分布云图Fig.3 Equivalent strain distribution nephogram of sprocket under different working conditions
3.3 链轮不同时刻总变形分布结果
为了进一步研究刮板输送机链轮运行过程中总变形情况，提取了链轮运行0.005 5、1.43、3.712 5、5.39 s 时的总形变云图，如图4 所示。由图4 可以看出，不考虑链轮和圆环链配合工作过程中的接触面积问题情况下，链轮轮齿的齿顶位置存在较大的变形，从轮齿整体情况看，齿顶至齿根均存在着明显的变形，变形趋势是由齿根至齿顶越来越大。啮合的链轮和圆环链运动稳定之后齿顶的最大变形量相较于链轮齿根位置的变形量要大很多。出现上述问题的原因可能是链轮运动过程中，链轮在传动轴扭矩驱动之下进行运转，轮齿的齿顶位置相较于转动中心较远，承载能力较差，总变形量大，链轮链窝处于齿顶位置，因此，链窝磨损较为严重。
图4 链轮不同时刻总变形分布云图Fig.4 Distribution cloud diagram of total deformation of sprocket at different time
贺西煤矿SGB620/40T 型刮板输送机链轮链窝位置与圆环链存在啮合运行，是其出现磨损的主要位置。结合上述仿真模拟结果，在此给出以下优化改进策略：一是磨损至影响刮板输送机稳定运行情况时，为了保障设备安全运行不出故障，及时更换新的链轮；
二是从提高链轮链窝耐磨性出发，更换链轮制备材料，引入高强高韧合金材料，保证链轮运行过程中整体强韧性；
三是改进链轮制造工艺，由铸件改为锻件，配合优异的热处理工艺提高链轮的整体性能；
四是引入先进的再制造技术，对磨损之后的链轮进行修复再利用，使其达到磨损之前的性能状态，满足刮板输送机对链轮使用的要求。
刮板输送机作为煤炭掘进过程中的重要运输装置，其工作的稳定性非常重要。针对贺西煤矿SGB620/40T 型刮板输送机链轮磨损问题，运用ANSYS 有限元仿真分析软件进行仿真模拟研究，分析其磨损严重的原因。结果表明，刮板输送机在启动、平稳运行、制动和卡链工况运行时，链轮链窝均存在应力集中现象，应力数值为293.32 MPa，对应的链轮链窝位置的应变也是最大的，故而易出现链窝磨损问题；
同时分析了链轮的总变形情况，表明链轮链齿齿顶位置的变形大于齿根位置，当磨损较为严重时，易出现链轮断齿故障。最后提出了4 种优化改进链轮的策略，保障刮板输送机安全稳定运行。