刮板输送机减速器结构优化模拟研究

丁 华

（山西省长治经坊煤业有限公司， 山西 长治 046000）

引言

煤炭资源作为我国一种常见的传统资源，其在我国的能源利用率占比十分巨大，据不完全统计，在我国煤炭资源作为支柱能源的格局预计50 年内不会发生改变。随着我国多年的煤炭开采，众多的开采难题困扰着矿井的高效开采，如煤炭资源赋存分散、机械化水平程度较低、开采污染问题严重等均困扰着矿井的正常生产，所以促进煤炭行业高效、安全、可持续发展成为了矿井开采的目标。刮板输送机是井下运输的关键设备，其工作性能直接影响矿井的开采效率。在刮板输送机工作过程中，减速器承担着动力输送的任务，通过齿轮传动达到调速目的，但由于矿井工作面环境较为恶劣，矸石、灰尘、振动等均会增加减速器故障率，所以对减速器进行一定的研究十分必要[1-2]。目前，我国学者对刮板输送机减速器的研究较少，导致减速器的优化设计并不能达到预期目标[3-4]，所以本文基于减速器质量、刚度、尺寸等参数对刮板输送机减速箱进行研究，利用数值模拟软件对减速箱的关键部位进行优化设计。

1 减速器优化

对刮板输送机的减速箱进行优化设计并不能脱离实际情况，所以为了保证优化设计能够解决实际问题，首先对某矿减速器发生故障失效形式进行统计，发现在所有发生故障的事件中，出现频率较高的形式有异响、渗漏油、打齿、轴承失效等，其中箱体相关故障的发生率超过50%。在所有失效故障中，发生故障的原因并不是单一存在的，而是由众多的综合因素共同导致，所以需要对导致故障发生的主要因素进行优化，经过对事故发生机理进行分析，确定对箱体的材料、结构尺寸、成型工艺等进行设计，以此来达到目标要求。

对材料进行选择，刮板输送机的箱体主要起到支撑、固定零件及定位的作用，同时能够起到密封效果，所以箱体材料的选择需要考虑刚度、加工性能、使用环境、成本各个方面因素。对箱体成型工艺进行分析，成型工艺主要有焊接和铸造，焊接工艺对结构较为复杂的箱体，无法保证其密封性能，所以不作考虑，本文选定铸造为成型工艺。箱体材料可选的种类较多，其中按照材质的种类可分为铸铁、铸铝、铸钢，对不同材料的性能进行分析：铸铁是最为常见的箱体金属材料，其成本较为低廉，同时成型工艺较为完善，加工机械要求较低，对于加工结构复杂的箱体较为有利。其中球墨铸铁能够有效提高铸铁的性能，在保证普通铸铁工艺的基础上较好地提升材料的刚度及强度。铸钢和铸铝同样是减速箱铸造的常见材料，但两种材料成本较高，同时铸铝箱在井下会发生爆炸，所以无法使用。综合考虑后选定材料为球墨铸铁，根据对材料的分析，选定QT500-7 为箱体材料。

2 数值模拟计算

对箱体结构进行设计，本文选定箱体的总体结构为上、下箱体结构，箱体壁厚的选择根据箱体设计经验，选定为30 mm 的箱体厚度，同时在受力集中的部位设置加强筋，来达到提高箱体强度的目的。为了验证结构整体受力情况，利用ANSYS 数值模拟软件进行研究，将设计的减速箱结构导入模拟软件中，对结构进行优化设计，考虑到结构细小倒角、圆角等对整体模拟结果并不会有较大的影响，所以对细小不规则结构进行简化，减速器简化后的三维实体模型如下页图1 所示。

图1 三维实体模型

对模型进行单元网格划分，根据模型的应力分析需要，选定三维单元Solid186 进行网格划分，完成网格划分后对材料的属性设定，为提升模拟的精度，根据材料QT500-7 对模型进行设定，材料的泊松比为0.29，材料的弹性模量为216 GPa，材料的密度为7 800 kg/m3。完成材料属性设定后对模型的边界条件进行设定，减速器箱体主要起到支撑主轴、固定齿轮以及吸收周期性振动的作用。刮板输送机减速器受到支撑轴承载荷及自身的重力，因此选定轴承孔的曲面作为载荷作用面，进行约束设定，同时对输出端法兰面施加垂直及水平方向的固定约束。对模型进行静力学分析。

对正转和反转两种工况下减速箱的应力应变进行分析，模拟云图如图2 所示。

图2 模拟计算云图

从图2 可以看出，当模拟输入轴正转时，此时刮板输送机的减速器在应力集中部位受到的最大等效应力值为12.73 MPa，正转工况下受到的最大变形为0.038 1 mm。根据云图可以看出，减速器箱体应力集中主要分布于主轴输入端的箱体法兰位置，同时在筋板处也存在一定的应力集中现象。刮板输送机减速箱的变形主要位于法兰盘上，这是由于在此位置受到刮板输送机的自重影响较大，使得法兰盘产生一定的向下变形。观察输入轴反转时应力应变云图可以看出，此时减速器箱体呈现的最大等效应力数值为21.48 MPa，减速箱受到的最大变形为0.079 7 mm，箱体应力集中主要存在于输入主轴轴承孔外侧箱体位置，在减速箱壳体的其他位置应力分布较小，变形量最大位置同样处于输出轴法兰盘上。根据先前的研究可知，减速箱的材料为QT500-7，材料的屈服应力为320 MPa，材料的许可伸长率为7%。所以综合对比可知，刮板输送机减速器箱体设计能够完全满足刮板输送机减速器箱体在运行过程中安全的要求。

根据数值模拟分析可以看出，设计的减速器箱体在一定的程度下存在较大的应力富裕量，所以为了保证材料的成本，对结构尺寸进行一定的优化，在保证满足运行安全的基础上，达到小于屈服强度320 MPa的要求。根据模拟结构对结构的尺寸进行优化，首先设定箱体壁厚为30 mm 时，箱体整体受力远低于屈服极限，所以将原箱体壁厚进行缩减，将壁厚设定为13 mm，同时对法兰壁厚进行削减，从原有的80 mm减小至45 mm，完成尺寸优化后对其进行模拟分析，考虑到反转工况下模拟结果较大，所以在进行优化设计后对反转工况下的箱体应力应变进行研究，模拟云图如图3 所示。

图3 优化后反转工况模拟云图

从图3 可以看出，在输入轴进行反转时，此时的刮板输送机减速器箱体最大等效应力值为156.31 MPa，而箱体的最大变形为1.104 2 mm。受力及变形的大小均小于材料QT500-7 的屈服应力320 MPa 和材料伸长率为7%。同时对比最大等效应力与许用应力后可得安全系数n≈2.05，所以经过尺寸优化后，此时的减速器箱体在降低自重及成本的同时满足强度设计要求。对比优化前后减速器箱体模拟结果可以得出，与原减速器箱体相比，优化后的减速器箱体自重降低了14.78%，基于原有结构参数进行的优化具有很强的可行性，满足优化设计的要求。

3 结论

1）对刮板输送机的减速箱故障失效形式进行分析，选定QT500-7 为箱体材料，同时采用球墨铸铁成型工艺进行减速器生产。

2）当模拟输入轴正转时及输入轴反转时应力变形云图可以看出，减速器箱体设计能够完全满足刮板机减速器箱体在运行过程中安全的要求。

3）对减速器进行尺寸优化，优化后反转工况减速器箱体最大等效应力值为156.31 MPa，而箱体的最大变形为1.104 2 mm，满足材料强度要求，设计方案可行。