分体式链轮体的受力分析研究_翟红升.pdf

2023年 第47卷 第5期Journal of Mechanical Transmission分体式链轮体的受力分析研究翟红升1，2 徐颖杰1，2 岳修任3 徐文博1，2 李志胜1，2（1 郑州机械研究所有限公司，河南 郑州 450001）（2 郑机所（郑州）传动科技有限公司，河南 郑州 450001）（3 河海大学 河海里尔学院，江苏 南京 211100）摘要 目前，国内外链轮体的主要结构形式普遍采用整体式结构，但整体式链轮轴组换向、维修困难；相对而言，分体式链轮轴组在维修成本及便利性方面有极大的优势。为此，根据经典理论力学原理，对新型结构的分体式链轮体进行受力分析研究，采用材料力学计算理论进行强度校核计算，并与有限元分析计算结果进行比较验证，得到分体式链轮体连接结构设计的校核计算方法。文中提出的分体式链轮受力分析研究方法，可以为连接设计计算和有限元分析提供必要的载荷和约束条件。分体式链轮通过在上、下链轮体之间设置圆柱销来传递转矩，能够保证现有大功率重型刮板机链轮轴组在安装空间受限、连接螺栓数量有限情况下的连接可靠性，为今后类似链轮体的设计提供了参考依据和理论指导。关键词 分体式链轮 受力分析 连接螺钉 圆柱销 有限元计算Research of Force Analysis of the Split Sprocket BodyZhai Hongsheng1，2 Xu Yingjie1，2 Yue Xiuren3 Xu Wenbo1，2 Li Zhisheng1，2(1 Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,China)（2 ZRIME Gearing Technology Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,China)（3 Hohai-Lille College，Hohai University，Nanjing 211100,China）Abstract At present,the main structural form of sprocket body generally adopts the integral structure at home and abroad,which is difficult to reverse and maintain.The split sprocket shaft group has great advantages in maintenance cost and convenience compared with the integral sprocket shaft group.According to the classical theoretical mechanics,the force analysis of the split sprocket body with new structure is carried out.It is combined with the results of finite element analysis,and then the calculation method of the split sprocket body connection structure design is obtained.This research provides the research method of force analysis of the split sprocket,which can provide necessary loads and constraints for design calculation and finite element analysis.When the split sprocket body is connected by connecting screws,cylindrical pins are set between the upper and lower sprocket bodies to transmit torque,which can ensure the connection reliability of the scraper sprocket of the existing high-power heavy scraper under the conditions of limited installation space and limited number of connecting bolts.Thus it can provide reference and theoretical guidance for the design of similar sprocket bodies in the future.Key words Split sprocket body Force analysis Connecting screw Cylindrical pin Finite element calculation0 引言刮板输送机在煤矿井下综采工作面中主要的作用是将采煤机采下的煤炭连续不断地运往刮板转载机，确保综采工作面的煤炭连续运出井下。链轮轴组是刮板输送机的关键动力输出部件，工作中承受着刮板链条、煤块及矸石等的剧烈冲击，恶劣的工作条件要求其既要有较高的强度和韧性，也要有较高的耐磨性能、拥有较长的使用寿命。目前，国内外链轮轴组的主要结构形式普遍采文章编号：1004-2539（2023）05-0012-07DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2023.05.00312第5期翟红升，等：分体式链轮体的受力分析研究用整体式结构，但整体式链轮轴组换向、维修困难。其上的链轮环是易损件，在使用一段时间后，需要换向或更换，且频率较高。轴组换向或更换链轮环时，需要将整个链轮轴组从机架上拆下来，因其体积大、质量大，拆卸比较困难。井下作业条件有限，更换整体式链轮环时，需要将整个链轮轴组运输至维修车间，将链轮轴组上的所有零件解体。由于拆装会影响轴承、浮封的性能和寿命，为了保险起见，更换链轮环时一般对轴承、浮封也要更换，导致了维修成本的升高和更换工作量的加大。分体式链轮轴组较整体式链轮轴组在维修成本及便利性方面有极大的优势，但目前分体式链轮轴组的应用较少。一方面，整体式链轮较易加工，强度易保证；另一方面，在同等强度下，为了布置足够数量的螺栓来传递链轮体内部之间的转矩，分体式链轮轴组较整体式链轮轴组所需的外形尺寸更大，因而对机架的安装空间要求也较大。分体式链轮结构形式如图1、图2所示。目前在煤矿井下实际生产使用的链轮轴组中，可以见到几种不同类型的分体式链轮轴组，但是均为国外产品。其中，平环链条横截面直径最大为 48 mm，再大的链条尺寸没有出现过。这是因为链轮受力比较大，国外设计的分体式链轮在安装空间上都有足够的空间可用，这样可以布置足够多的组合体连接螺栓，保证链轮的转矩传递功能。在分体式链轮的设计、加工工艺和使用上，国内学者进行了一些有益的研究探索。郭玉华等1研究改进了对开链轮加工工艺，由线切割设备保证结合面的形位公差精度，杜绝了爬链现象的发生。安淑梅2对开式链轮的结构进行设计改进，解决了整体链轮更换困难的问题，节约了维修时间，提高了维修效率，降低了工人维修量和维修费用，节约了成本。王昌福3使用Ansys软件对驱动链轮和圆环链的啮合状态应力进行分析，得出了链轮参数最优化配比。张杰4对刮板输送机链传动啮合特性进行研究得知，链轮上作用力较大的位置主要集中在链轮链窝位置。李树仁等5基于Ansys软件对链轮进行仿真分析得知，驱动链轮最大应力出现在与圆环链接触部分的齿根处。曾庆良等6利用APDL语言建立了链轮的参数化有限元模型，得到驱动链轮链窝底部存在较大的接触力，以提供链环转矩。对于安装空间受限的重型分体式链轮轴组，国内技术起步较晚，相关的研究文献尚不多见。虽然有煤矿使用一些进口的分体式链轮，但目前都没有进行专门的研究，国内一些厂家只是简单地测绘模仿仿制，虽实现了链轮轴组完全互换，但结构上并没有创新，连接设计计算更是没有先例可以借鉴。本文对一种分体式链轮体的结构进行了分析研究，得到连接设计的校核方法，可为今后类似链轮体的设计提供参考依据和理论指导。1 分体式链轮的结构和建模本文分析研究的是我公司创新设计的分体式链轮轴组，其能够满足与现有的整体式刮板机链轮轴组在外连接安装尺寸上完全互换、适应现有机架的安装。该新型大功率刮板机分体式链轮体部件包括上链轮体、下链轮体、连接螺钉、圆柱销和固定螺钉。上链轮体和下链轮体通过连接螺钉进行合箱连接，在上链轮体和下链轮体之间设置圆柱销来传递转矩，圆柱销通过固定螺钉固定在链轮轴组上，连接螺钉与圆柱销之间轴线相互垂直。在空间已限定和受限的情况下，结构上的创新解决了螺栓连接强度不够的难题。新设计生产的链轮结构形式分别如图3和图4所示。结构设计完成后，依据链轮链条传动原理，使用 SolidWorks软件模拟其相对运动关系建立分体式链轮体的三维模型。按照配套的圆环链和刮板尺寸图1分体式链轮结构形式1Fig.1Split sprocket body structural style 1图2分体式链轮结构形式2Fig.2Split sprocket body structural style 2 图3分体式链轮结构形式3Fig.3Split sprocket body structural style 3图4分体式链轮结构形式4Fig.4split sprocket body structural style 413第47卷进行链轮结构尺寸的设计，合理确定链轮的主要传动参数，保证链轮和链条顺利连续啮合。对链轮齿形和链窝形状进行优化处理，使链窝更加合理地与圆环链进行接触和啮合，保证其在工作过程中有充分的接触面积，有效降低接触应力，减少链窝磨损进程，提高链轮的使用寿命。生成后的上、下链轮体的结构模型分别如图5和图6所示。2 分体式链轮体的受力分析在工程实际中，为了求出未知的约束力，需要根据已知力，应用静力学平衡条件求解7。平面任意力系平衡的充分和必要条件是：力系的主矢和对于任意一点的主矩都等于0。该平衡条件可用解析式表示为Fx=0，Fy=0，MO()Fi=0（1）式（1）被称为平面任意力系的平衡方程，是3个独立的方程，可以求解3个未知量。为此，首先要确定链轮的受力状况，包括每个力的作用位置和作用方向。作用在链轮上的外力是主动力、是已知的，约束链轮的力是被动力、是未知的。为了清晰地表示链轮的受力情况，可把需研究的链轮组合体或者上、下链轮体从周围物体中分离出来，单独画出它们的受力简图；然后，把施力物体对链轮组合体或者上、下链轮体的主动力和被动力全部画出来。正确地画出链轮组合体或者上、下链轮体的受力图，是分析解决链轮体、连接螺钉和圆柱销等零件强度校核计算的基础。画链轮体受力图时必须明确研究对象，画出其分离体图。根据求解需要，也可以取上、下链轮组合后组成的系统为研究对象，也可以取单个上、下链轮体为研究对象。正确确定研究对象受力的数目，主动力、约束力均是物体受力，均应画在受力图上。所取分离体上、下链轮体和螺钉、圆柱销接触处，一般均存在约束力，要根据约束特性来确定，严格按约束性质来画。同时，根据链轮体设计的尺寸配合情况来确定上、下链轮体的接触面。上链轮体作用力的方向一旦假定，下链轮体图上的反作用力一定与之反向。分别画出研究对象的受力分析图，可为下一步的有限元计算分析提供支撑。计算上、下部链条的拉力，轴径表面的压力简化为集中合力及两处平键处的平面压力。根据实际设计的装配配合情况，给出合理的约束条件。压紧结合面、圆柱销孔过盈配合表面等处存在约束，凸、凹结合面间因有间隙而作为非接触处无约束处理。首先，采用整体式分析方法，取上、下链