基于ANSYS的矿用刮板输送机驱动链轮优化仿真_李玉霞.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：基于矿用刮板输送机在回采工作面的使用非常普遍，提出一种矿用刮板输送机驱动链轮优化方案，并以此为基础构建矿用刮板输送机驱动链轮仿真模型，开展矿用刮板输送机驱动链轮优化有限元仿真分析，将优化方案仿真分析结果与原方案进行对比分析，初步检验此优化方案的有效性。最后，为能够进一步检验优化方案的实用性，还会将优化方案应用于工程实践。关键词：矿用刮板输送机；驱动链轮；优化方案；仿真分析；ANSYS中图分类号：TD5 2 8+.3文献标识码：B文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 2 0 5-0 3Optimization Simulation of Driven Sprocket in Mining Scraper Conveyor Based on ANSYSLi Yuxia(Malan Colliery,Xishan Coal&Electricity Group Co.,Ltd.,Gujiao,Shanxi 030205)Abstract:The paper introduces an optimization scheme of driven sprocket in mining scraper conveyor through simulation modelestablishment and finite element simulation analysis,which is proved effective by comparison with the original scheme and will beproved practical in engineering practice.Key words:mining scraper conveyor;driven sprocket;optimization scheme;simulation analysis;ANSYS基于 ANSYS 的矿用刮板输送机驱动链轮优化仿真李玉霞（西山煤电股份有限公司马兰矿，山西古交0 3 0 2 0 5）矿用刮板输送机作为煤矿综采工作面中的主要设备之一，其工作性能将会直接影响到煤矿开采效率1-2。然而由于刮板输送机的实际工作环境较为复杂，其在应用中极易发生故障及损坏，其中刮板输送机最为常见的故障就是链轮磨损以及圆环链破坏3-4。对此，为能够避免出现此问题，本文提出了一种矿用刮板输送机驱动链轮优化方案，以期能够为后续矿用刮板输送机结构设计及优化提供理论参考。1矿用刮板输送机的优点相较于其他矿用输送机，矿用刮板输送机之所以可以在煤矿综采工作面中得到广泛应用，主要是由于矿用刮板输送机具有结构坚固、机身较矮、结构简单、运输能力强等特点。其中结构坚固可以满足煤炭开采过程中的煤炭、矸石等外力载荷的冲击；机身较矮则使得矿用刮板输送机易于安装和使用；结构简单则使得矿用刮板输送机可以具备更强的使用寿命，避免受到复杂工作环境的影响；运输能力强则使得矿用刮板输送机可以具备极强的工作效率5。2矿用刮板输送机驱动链轮模型构建在矿用刮板输送机模型构建中，由于驱动链轮相关的圆环链、驱动链轮均是三维实体结构，所以研究中采用U G软件构建三维实体模型，并采用s o l i d 1 6 4单元进行模型构建。在完成模型构建后，将模型导入到A N S Y S软件中，并对模型材料进行合理设置。结合矿用刮板输送机驱动链轮的实际材料性能特征，选用H T 1 5 0材料作为驱动链轮模型材料，此材料的材料密度、弹性模量、屈服性能强度、剪切模量以及泊松比分别为70 0 0k g/m3、1 2 2G P a、2 3 0M P a、4 4M P a、0.3 1。再次，为矿用刮板输送机驱动链轮设置模型参数，具体参数设置内容包括短齿厚度、链窝长度、齿型圆弧半径、链窝弧半径等，分别对应的参数为4 4.7m m、8 3.0m m、2 9.3m m、2 5.0m m，此参数便是驱动链轮优化方案所对应的参数。最后，还需要对模型进行网格划分。由于驱动链轮整体结构较为复杂，所以采用自动网格划分模式，最终所获取到的网格划分结果如图1所示。图1驱动链轮网格划分模型2 0 5江西煤炭科技2023年第1期3基于ANSYS的矿用刮板输送机驱动链轮优化仿真分析通过A N S Y S软件对矿用刮板输送机驱动链轮工作状态进行仿真模拟时可以发现，优化后方案中的驱动链轮的最大位移值为0.0 0 43 9 3m，最大位移点处于驱动链轮与圆环链交错接触位置，即驱动链轮的两短齿与圆环链接触区域，如图2所示。基于此分析过程再次对优化前矿用刮板输送机驱动链轮进行仿真后发现，优化前方案中驱动链轮的最大位移值为0.0 0 47 0 4m，最大位移点与优化后的最大位移点保持一致，均为驱动链轮的两短齿与圆环链接触区域。图2矿用刮板输送机驱动链轮优化方案等效位移云图图3矿用刮板输送机驱动链轮优化方案等效应力云图如图3所示，优化后方案中的驱动链轮的最大应力值为7 3 8M P a，最大应力点处于驱动链轮的两短齿与圆环链接触区域。基于此分析再次对优化前矿用刮板输送机驱动链轮进行仿真后发现，优化前方案中驱动链轮的最大应力值为7 9 0M P a，最大应力点与优化后的最大应力点保持一致，均为驱动链轮的两短齿与圆环链接触区域。以上结果虽然确认矿用刮板输送机驱动链轮优化方案的有效性，但由于此结果仅是针对圆环链与驱动链轮紧密接触位置进行分析研究，不能够体现驱动链轮的整体性能变化，所以还需要对其他部位进行仿真分析，具体分析结果如图4、图5所示。图4驱动链轮整体等效位移云图图5驱动链轮整体等效应力云图如图4、图5所示在矿用刮板输送机运行过程中，驱动链轮中仅有一对齿轮会与圆环链产生较大的应力和位移变化，而在其他区域所承受的应力和位移则相对较小。总体来说，相较于优化前方案，优化后方案中的驱动链轮的最大位移值下降6.5 8 2%、最大应力值下降6.6 6 1%，说明此优化方案具有一定的改进作用。此外，综合分析后可以发现，驱动链轮在与圆环链啮合过程中所产生的应力以及位移主要发生在紧密接触一侧，尤其是在链窝靠近环槽位置所承受的应力与位移相对较大，此处极易导致驱动链轮发生破坏。而对于另一侧来说，两者之间所产生的应力和位移相对较小。4矿用刮板输送机驱动链轮优化方案对比及工程应用4.1矿用刮板输送机驱动链轮优化方案对比本文提出一种矿用刮板输送机驱动链轮优化方案，具体优化方案中包括短齿厚度、链窝长度、齿型圆弧半径、链窝弧半径等驱动链轮结构的关键性参数。其中优化前的四项参数分别为4 4m m、8 2.0m m、2 9m m、2 5.0m m，而优化后的四项参数分别为4 4.7m m、8 3.0m m、2 9.3m m、2 5.0m m。也就是说相较于优化前方案来说，优化后驱动链轮短齿厚度增加1.5 9 1%，齿型圆弧半径增加2 0 6江西煤炭科技2023年第1期1.0 3 4%，链窝长度减少1.2 2 0%，而链窝弧半径则未发生变化。在经过各类参数的适当修改以后，通过以上仿真分析可以发现，优化后方案中的驱动链轮的最大位移值下降6.5 8 2%和最大应力值下降6.6 6 1%，说明此优化方案具有一定的改进作用，并可以有效提高驱动链轮的整体使用寿命，保障驱动链轮的应用安全性和稳定性。4.2矿用刮板输送机驱动链轮优化方案工程应用矿用刮板输送机的实际工作环境较为复杂，而本优化方案验证分析过程中所采用的方法为有限元分析方法，此种方法在具体使用过程中不仅会对矿用刮板输送机驱动链轮模型进行简化，还需要在较为理想的环境下进行分析研究，所以此仿真分析结果虽然说明优化方案更具有效性，其分析结果可信度则存在一定局限性。因此，为能够进一步保障矿用刮板输送机驱动链轮优化方案的有效性，应根据优化前后的矿用刮板输送机驱动链轮方案分别制作实例，并将其应用于工程实践，并对比优化前后矿用刮板输送机驱动链轮的使用寿命与表面磨损情况。在实际工程应用过程中，为有效控制变量，会将两个矿用刮板输送机设置在同一工作环境中，并尽可能保障两者的实际工作强度均保持一致。在开展为期六个月的工程实践后，对优化前方案所对应的实物和优化后方案所对应的实物进行分别检验分析，具体检验内容包括链窝表面形貌图像、驱动链轮缺损情况等，进而根据检验分析结果来判断优化前后方案所分别对应实物的使用寿命及磨损情况。结合对比分析结果来看，相较于优化前矿用刮板输送机驱动链轮方案所对应的实物，矿用刮板输送机驱动链轮优化方案所对应的实物的整体磨损相对较少，并且未发现明显缺损情况，说明矿用刮板输送机驱动链轮优化方案具有更长的使用寿命和更强的综合性能，此结果与仿真分析对比结果基本保持一致。5结语综上所述，矿用刮板输送机驱动链轮优化方案，通过仿真分析和工程应用分析两种方式检验此优化方案的有效性。最终确认，相较于优化前矿用刮板输送机驱动链轮结构方案来说，矿用刮板输送机驱动链轮优化方案可有效延长驱动链轮的使用寿命，增强其综合性能，所以更具实用性，可在后续驱动链轮结构优化中进行参考应用。参考文献：1 吴永芳，李爱军.基于SolidWorks的矿用刮板输送机驱 动链轮三 维 参数化 建模 J.哈尔 滨：煤 矿机械，2 0 0 8，2 9（5）：1 9 4-1 9 5.2 杨志怀.基于ANSYS的矿用刮板输送机链轮与链环啮合特性分析J.邹城：煤矿现代化，2 0 2 0（3）：1 3 0-1 3 2.3 汤爱君，王红梅，李同，等.基于AnsysWorkbench的低位缠绕机链轮支架的仿真与优化J.北京：制造业自动化，2 0 1 9，4 1（1）：1 4 5-1 4 7，1 5 7.4 张俊杰.关于SGB4 3 1 8型刮板输送机驱动链轮的仿真与优化J.太原：机械管理开发，2 0 2 0，3 5（9）：5 3-5 5.5 籍宇，孙瑞，闫虎.基于AnsysWorkbench刮板输送机有限元 仿 真分 析 J.哈 尔滨：煤 矿机械，2 0 2 0，4 1（2）：6-8.作者简介：李玉霞（1 9 8 7），女，湖北孝感人，2 0 0 9年毕业于中国矿业大学艺术设计专业，现从事煤矿单位职工教育培训工作。收稿日期：2 0 2 2-0 6-0 4编辑：项元海公益广告2 0 7