刮板输送机作为煤炭掘进工作必不可少的关键设备，其发展方向是大型化、重型化，对连续运转的圆环链的强度及耐磨性要求越来越高。工作过程中圆环链与驱动链轮的磨损不可避免，磨损程度增大会降低圆环链的连接强度及驱动链轮的整体结构强度，当突然遇到瞬时大载荷时，很容易出现圆环链断裂及驱动链轮齿折断故障。

该故障的出现不仅会导致刮板输送机停机待修，还会使整个工作面内的掘进设备及人员的工作停滞，严重影响煤炭企业的产能，也会增加设备的运维成本，给企业带来较大的经济损失。因此，针对某煤炭企业刮板输送机圆环链和驱动链轮出现磨损断裂的问题，借助有限元仿真计算软件，开展了刮板输送机圆环链与驱动链轮接触分析与改进工作，以便进一步提高刮板输送机圆环链和驱动链轮的可靠性。

1   圆环链与驱动链轮故障

刮板输送机圆环链和驱动链轮工作环境较为复杂，不仅需要承载煤炭负载，还要承受落煤时的冲击载荷，导致刮板输送机故障频发，其中驱动链轮磨损断裂具有突然性，对煤炭掘进生产的影响也是最大的。如图1所示为磨损过度之后出现驱动链轮轮齿折断故障图片，上述两者出现的断裂故障直接降低了整台刮板输送机的使用寿命，限制了刮板输送机的有效工作时间，会给煤炭企业造成较大的经济损失。

2  仿真分析

2.1  三维模型建立

参照刮板输送机随机技术文件，运用SolidWorks 绘制圆环链和驱动链轮三维模型，如图2所示，之后另存为.igs 格式文件即可导入ANSYS workbench仿真计算软件进行前处理。

2.2  材料属性

圆环链和驱动链轮材料分别使用的是23MnCrNi Mo和HT150，前者的性能参数如下：弹性模量数值为210GPa，屈服强度数值为1170MPa，泊松比数值为0.25；后者的性能参数如下：弹性模量数值为122GPa，屈服极限数值为230MPa，泊松比数值为0.31。

2.3   网格划分

圆环链、驱动链轮均为实体结构，单元格选择SOLID164实体单元。由于圆环链和驱动链轮的结构较为复杂，网格划分选择自由化分方法；同时，对驱动链轮轮齿和圆环链部分进行细化，设置单元格边长数值为10mm，以便更好的观察接触位置的应力情况和提高仿真计算效率。圆环链和驱动链轮接触模型如图3所示。

2.4  载荷与边界条件

结合圆环链和驱动链轮实际工况设置载荷及边界条件，链条拉力为7.5kN，链速为0.8m/s， 驱动链轮中心设置旋转自由度，仿真时间设置为 0.1s，子步数为22步，完成圆环链和驱动链轮载荷与边界条件设置之后进行仿真求解。

3  仿真结果与分析

3.1  仿真结果

完成圆环链与驱动链轮有限元仿真分析前处理之后，启动仿真计算求解器，进行接触应力和变形分析计算，计算结果如图4所示。

由图4a 和b可以看出，圆环链与驱动链轮接触过程中，应力和变形最大值均出现在二者啮合位置，即圆环链与链轮啮合的链窝位置。因为圆环链运转过程中承受交变载荷，同时，也受到驱动链轮的多边形效应作用，会导致圆环链直段和圆弧过渡位置出现较大的应力数值和变形量。由图44a和b可得，圆环链的工作过程中最大的应力数值为 790MPa，最大变形量约为4.7mm。

由图4c和d可以看出，驱动链轮上的应力和变形均集中在啮入端的一对轮齿上，可以说明驱动链轮工作过程中主要由一对轮齿参与传动，驱动圆环链连续运转。驱动链轮在啮合链窝位置的应力和变形最大，最突出的位置是链窝底平面和过渡面靠近立环槽的部分。由图44c 和d可得，驱动链轮工作过程中最大的应力数值为244MPa，最大变形量约为1.5mm。

3.2  结果分析

由圆环链与驱动链轮有限元分析结果可以看出，二者工作啮合过程中，应力和变形集中在链传动系统紧边的圆环链和驱动链轮接触位置，是链传动得以实现的主要传力位置，承受较大的工作载荷。

就驱动链轮而言，其链窝靠近立环槽处承受的应力最大，应力最大值为244MPa，超出了驱动链轮材料的屈服强度 230MPa。实际工作过程中，该处的磨损也比较严重，是出现圆驱动链轮轮齿折断的主要原因，变形数值较小，相较于较大的结构尺寸可以忽略。

4  改进设计

4.1  改进方法

为了避免驱动链轮出现故障，需要在原有驱动链轮的 基础上进行改进设计，降低链窝靠近立环槽处的应力，减小链窝位置的磨损程度，就可以降低驱动链轮出现故障可能。原驱动链轮结构尺寸如下：齿型圆弧半径29mm，链窝弧半径25mm，短齿厚度44mm，链窝长度 82mm；改进之后的驱动链轮结构尺寸如下：齿型圆弧半径29.3mm，链窝弧半径25mm，短齿厚度44.7mm，链窝长度83mm。

4.2  改进效果

为了验证驱动链轮改进的效果，对仿真模型进行尺寸的修改，之后在相同载荷与约束条件下进行应力和变形的分析，统计得出了驱动链轮改进前后最大应力数值和最大变形数值，如表1 所示。

由表1中驱动链轮改进前后的最大应力和最大变形数值统计结果可以看出，相较于结构尺寸改进之前，改进后的驱动链轮的最大应力数值降低了 55MPa，数值为 189MPa，小于驱动链轮材料的屈服强度230MPa，满足安全使用要求。最大变形数值仅仅降低了0.08mm，改进前后变化较小，不会对驱动链轮的正常使用产生明显影响。

5  结语

驱动链轮作为刮板输送机正常工作的主要结构件，其工作的可靠性至关重要。针对某煤炭企业服役刮板输送机驱动链轮出现轮齿折断的问题，借助ANSYS workbench 有限元仿真分析软件完成了驱动链轮强度分析，结果表明，驱动链轮链窝靠近立环槽处存在应力集中，数值为 244MPa，超出了材料的屈服强度230MPa，是出现轮齿折断问题的原因。通过改进驱动链轮的结构尺寸完成了驱动链轮的优化，计算结果表明，驱动链轮链窝靠近立环槽处最大应力为 189MPa，降低了22.54%，小于材料的屈服强度230MPa，取得了很好的改进效果。