基于Workbench 的矿用刮板输送机圆环链结构特性分析_李洋子.pdf

煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 0引言 随着国家的大力发展， 对煤矿的需求量也越来越 大， 刮板输送机作为煤矿开采中的重要设备， 在煤矿 中得到了广泛应用。由于井下环境的恶劣性， 加上自 身设备的设计问题， 刮板输送机在使用过程中经常出 现零部件变形、 断裂损坏、 振动幅度较大等问题， 而圆 环链的故障问题则是导致刮板输送机出现故障失效 的主要原因之一。因此， 有必要对刮板输送机中圆环 链的结构性能开展研究。 通过对圆环链疲劳强度的主要影响因素进行分 析， 采用 PROE 及 Workbench 仿真软件， 建立了圆环 链的三维模型及有限元仿真模型， 开展了圆环链的应 力变化、 结构位移变化仿真分析研究， 结果表明， 圆环 链在实际使用过程中，极容易发生较大的结构变形、 断裂等故障， 并由此提出了圆环链的改进建议。该研 究对提高圆环链的结构性能及刮板输送机的工作效 率具有重要意义。 1圆环链疲劳强度主要影响因素分析 圆环链在使用过程中， 其结构尺寸、 接触表面光 洁度、 井下环境等均会影响圆环链的疲劳强度， 因此， 对其疲劳强度影响因素进行了分析。 1.1结构尺寸影响 圆环链的不同结构尺寸， 将对零件的疲劳强度产 生重要影响。其影响规律主要表现为 圆环链的结构 尺寸越大， 其疲劳强度越小， 反之， 圆环链的结构尺寸 越小， 其结构的疲劳强度越大， 在使用过程中越容易 发生疲劳失效故障现象。 因此， 根据其工作环境， 合理 确定圆环链的结构尺寸。 1.2应力集中影响 圆环链在产品加工过程中， 由于其表面光滑性较 低， 在表面形了较多细小的圆孔、 倒角等特征， 在其使 用过程中， 会在此些部位形成不同程度的应力集中现 象， 最终出现结构变形。 断裂故障。 因此， 应减小或避 免在圆环链上产生应力集中现象。 2圆环链模型建立 2.1三维模型建立 圆环链作为刮板式输送机中的重要零件， 其较强 基于 Workbench 的矿用刮板输送机圆环链结构特性分析 李 洋 子 （晋煤集团泽州天安恒源煤业有限公司 ， 山西 晋城 ，048000 ） 摘要 圆环链作为刮板输送机中的关键部件之一， 其结构性能的好坏， 对刮板输送机的正常工作具 有重要影响。 因此， 有必要对刮板输送机中圆环链的结构性能开展研究。 通过对圆环链疲劳强度的主 要影响因素进行分析， 采用 Workbench 软件， 开展了圆环链有限元仿真分析研究， 结果表明， 圆环链在 实际使用中极容易发生较大的结构变形、 断裂等故障， 并由此提出了圆环链的改进建议。该研究对提 高圆环链的结构性能及刮板输送机的工作效率具有重要意义。 关键词 煤矿 ； 刮板输送机 ； 圆环链 中图分类号 TD528文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0089- 03 Analysis of the characteristics of the ring chain of the mining scraper conveyor based on Workbench LI Yangzi （Jin Coal group Zezhou Hengyuan Coal IndustryCo., Ltd. , Shanxi Jincheng 048000 ） Absrtact As one of the key components in the scraper conveyor, the structural perance of the ring chain has an important influence on the normal operation of the scraper conveyor. Therefore, it is necessary to study the structural perance of the ring chain in the scraper conveyor. By analyzing the main influencing factors of the fatigue intensity of the ring chain, using Workbench software, the simulation and analysis of the finite elements of the ring chain is carried out, and the results show that the ring chain is very prone to large structural deation, fracture and other failures in the actual use, and this is proposed to improve the ring chain. This study is of great significance to improve the structural perance ofthe ringchain and the efficiency ofthe scraper conveyor. Key words coal mine ; scraper conveyor ; ringchain 89 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 的结构强度，对保障刮板输送机的工作效率至关重 要。 因此， 根据圆环链的实际结构尺寸， 采用 PROE 软 件， 按照 11 比例， 对圆环链进行了三维模型建立。 为 避免圆环链上焊缝、 过渡圆弧等非关键特征对圆环链 仿真结果的影响， 在三维模型中对此些特征进行了模 型简化， 由此， 建立了刮板输送机圆环链的三维模型， 如图 1 所示。 图 1刮板输送机圆环链三维模型 2.2仿真模型建立 结合圆环链的工作条件可知， 其主要用于刮板输 送机中低速、 重载荷工作条件下， 对其结构强度及耐 磨性具有较高的要求。 因此， 结合其实际材料特点， 在 仿真模型中选用了 45 号钢，其材料的主要性能参数 如表 1 所示。 同时， 采用 Workbench 仿真软件， 对圆环 链接触部分进行了非线性约束。 为清晰的观察圆环链 仿真后的应力、 应变等指标的变化情况， 选用了四面 体网格类型， 对圆环链进行了四面体网格划分， 网格 大小为 10mm， 其网格划分图如图 2 所示。最后， 通过 对圆环链进行边界条件设置及载荷施加， 完成了圆环 链仿真模型的建立。 表 149 号钢主要性能参数 图 2圆环链部分网格划分图 3圆环链仿真结果分析 结合建立的刮板输送机圆环链仿真模型， 从圆环 链应力、 结构位移变化等方面开展了有限元仿真分析 研究。 3.1圆环链应力变化分析 通过仿真， 得到了圆环链应力变化图， 如图 3 所 示。 由图可知， 圆环链整体呈现应力分布不均匀现象， 且在其一端大圆弧内侧和外侧均出现了较大的应力 集中， 但大圆弧外侧应力集中相对较小， 而圆弧链其 他部分的应力则几乎没变化。分析其原因为 圆环链 在工作过程中， 由于一端的大圆弧与相连接的圆弧链 之间存在较大相互拉力， 且主要集中在内侧圆弧的某 一点或较小接触面上。 圆弧链在使用过程中极容易在 其大圆弧处发生疲劳失效的故障现象， 严重时会产生 断裂故障。 因此， 需对圆环链大圆弧处进行优化改进。 图 3圆环链中部圆环应力变化图 3.2圆环链结构位移变化分析 通过仿真， 得到了圆环链结构位移变化图， 如图 4 所示。由图可知， 圆环链整体出现了不均匀的结构 位移变化， 且在圆环链一端的大圆弧处出现了较大的 位移变化， 并延圆环链的另一端呈逐渐减少的变化趋 势。 分析其原因为 圆环链在工作过程中， 其一段的大 圆弧由于与下一个圆环链之间进行了接触使非线性 连接， 导致在此处承受着较大的外界作用力， 最终使 圆环链在此处出现了较大的位移变形。由此可值， 圆 环链在长期使用过程中，极可能出现较大的结构变 形、 甚至断裂等故障。这与前文圆环链的应力集中位 置基本相同。因此， 需对其进行结构优化改进。 图 4圆环链中部圆环位移变形图 4圆环链结构优化改进 根据前文对刮板输送机圆环链的仿真分析可知， 在其一端的大圆弧处出现了较大的应力集中及结构 变形现象， 在实际使用过程中， 极容易发生较大的结 构变形、 断裂等故障。 因此， 需对其进行结构优化改进 设计， 具体措施如下 1 ） 增加圆环链的结构尺寸， 以此来增加大圆弧处 的圆弧半径， 从而使圆环链之间的接触面增大， 减小 接触位置的作用力集中现象； 2 ） 改进圆环链材料属性， 选用强度更高的材料， 并对生产后的圆环链进行调质、 淬火等热处理， 以此 来改善其结构强度和刚度； 3 ） 使用过程中， 需对接触处喷涂耐磨材料， 同时， 可在两个圆环链接触处添加橡胶等减振材料， 以来减 少外界作用力的影响。 4 ） 刮板输送机实际工作过程中， 定期对圆环链使 用情况进行检查， 针对出现磨损严重、 结构变形量大、 （下转第 93 页 ） 名称泊松比 密度 /Kg/m3 屈服极限 /MPa 弹性模量 /GPa 抗拉强度 /MPa 45 号钢 0.378503552.06600 90 ChaoXing （上接第 90 页 ） 有断裂裂痕的圆环链进行及时维修、 更换， 以保证刮 板输送机的正常作业。 5结论 圆环链作为刮板输送机中的关键部件之一， 其结 构性能的好坏， 对刮板输送机的正常工作具有重要影 响。因此， 通过对圆环链疲劳强度的主要影响因素进 行分析， 采用 PROE 及 Workbench 仿真软件， 建立了 圆环链的三维模型及有限元仿真模型， 开展了圆环链 的应力变化、 结构位移变化仿真分析研究， 结果表明， 圆环链的一端大圆弧处出现了较大的应力集中及结 构变形现象， 在实际使用过程中， 极容易发生较大的 结构变形、 断裂等故障， 并由此提出了圆环链的改进 建议。 该研究对提高圆环链的结构性能及刮板输送机 的工作效率具有重要意义， 可为后期开展刮板输送机 其他部件的结构性能提升具有一定的指导。 参考文献 [1] 刘广鹏, 王学文, 杨兆建,等. 刮板输送机链传动系统动力 学特性分析[J]. 机械传动,2014 （7） 115- 118. [2] 谢苗,李翠,毛君,董先瑞,闫江龙. 刮板输送机链轮链环啮 合动力学分析[J]. 机械设计,2017,34 （05） 58- 64. [3] 陈娜. 大功率刮板输送机用减速器的设计[D]. 天津大学, 2016. [4] 杨龙． 大功率行星减速器行星架特性分析及结构优化 [D]．沈阳 中国船舰研究院， 2011． [5] 何张雷. 在线监测系统在刮板输送机故障诊断中的应用 [J]. 矿业装备, 2018 （06） 108- 109. 作者简介 李洋子 （1986-） ， 男， 山西晋城人， 2009 年 7 月毕业于山 西农业大学电气工程及其自动化专业，机电助理工程师， 现 从事矿山机电相关工作。（收稿日期 2019- 6- 13） 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 1 名技术人员。 每班根据时间安排装药封孔 2～3 个，先统一装 药， 后统一注浆封孔， 当装最后 1 个孔时计算距离交 接班时间， 如时间不充足， 不再装药， 避免出现到达起 爆时间仍有未装完或未封孔的钻孔。利用交接班时 间， 对全部已装药钻孔进行爆破。 3.2效果考察 实施长度 190m， 共实施爆破钻孔 81 个， 空孔 80 个， 累计钻孔进尺 6681.5m， 消耗炸药 3564 卷， 每班 平均爆破 2 个钻孔， 每天 6 个， 累计工期 15 天。 图 42303 工作面停采后大巷围岩变形曲线图 在切顶卸压试验段布置表面位移测点，观测 2303 工作面停采后大巷变形情况， 如图 4 所示。 可以 看出， 停采后 30d 内， 巷道两帮移近量 220mm， 顶板 下沉量 50mm，底鼓量约 200mm， 30d 以后持续观测 到 90d， 大巷新增变形量极小， 几乎为零， 证明 30d 以 内大巷围岩已经进入稳定状态，与前期不切顶段对 比， 巷道变形量减小 80以上， 煤柱宽度减小 70。 4结论 1 ） 大巷动压来源为工作面保护煤柱集中应力影 响， 切顶卸压为减小煤柱宽度、 维护大巷稳定的有效 途径，且减小保护煤柱宽度能够提高资源采出率， 缓 解采掘衔接紧张； 2 ） 根据赵庄二号井大巷顶板条件进行了切顶高 度设计、 钻孔设计、 装药设计等； 3 ） 现场试验 190m长度， 2303 工作面停采后， 30d 内巷道变形基本结束， 两帮累计移近量 220mm， 顶板 下沉量 50mm， 与前期不切顶段对比， 巷道变形量减 小 80以上， 煤柱宽度减小 70， 效果显著。 参考文献 [1] 张赛一， 王炯， 马新根， 等.益新矿切顶卸压切缝参数优化 研究[J].煤矿现代化， 2019， 2 138- 140. [2] 刘宜平， 董昌伟， 郭标.祁东矿切顶卸压无煤柱开采矿压 规律及围岩控制[J].煤矿安全， 2019， 1 173- 177. 作者简介 何立成 （1990 年 -） ， 男， 山西霍州人， 2015 年毕业于安 徽理工大学， 工学学士， 目前在霍州煤电汾河焦煤公司三交 河煤矿皮带队工作， 从事运输和安全管理方面的工作。 （收稿日期 2019- 2- 28） 93 ChaoXing