刮板輸送機(jī)鏈輪瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

焦宏章，楊兆建，王學(xué)文，王淑平

（1.太原理工大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024；2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，太原 030006)

鏈輪是刮板輸送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)核心構(gòu)件。目前所使用的鏈輪承載能力差、使用壽命較短，與整機(jī)其他零部件的設(shè)計(jì)水平嚴(yán)重不匹配，已成為制約刮板輸送機(jī)向大功率、長(zhǎng)距離輸送發(fā)展的重要瓶頸［1］。通過(guò)采用新材料、改進(jìn)加工工藝，一定程度上改善了鏈輪的使用性能［2-3］。但是，刮板輸送機(jī)使用環(huán)境惡劣、載荷復(fù)雜多變，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，中部槽過(guò)度彎曲、意外載荷、異物卡死、電機(jī)不同步等不利因素時(shí)有發(fā)生。為了能夠進(jìn)一步改善鏈輪的設(shè)計(jì)水平，我們有必要對(duì)鏈輪-圓環(huán)鏈的接觸機(jī)理進(jìn)行深入探究。在此基礎(chǔ)上，加強(qiáng)和改進(jìn)鏈輪的設(shè)計(jì)，以滿足刮板輸送機(jī)日益重型化的發(fā)展需求［4-7］。

本文中，筆者旨在求出刮板輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行過(guò)程中，鏈輪與圓環(huán)鏈的瞬態(tài)接觸響應(yīng)，為鏈輪的設(shè)計(jì)及分析提供參考。分析過(guò)程中，筆者應(yīng)用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析軟件MSC.DYTRAN對(duì)此進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)建模［8-9］

1.1 簡(jiǎn)化模型

本文主要分析刮板輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行過(guò)程中，某平環(huán)與鏈輪的嚙合過(guò)程及其鏈輪-圓環(huán)鏈之間的相互作用情況。為了提高運(yùn)算效率，選取兩個(gè)輪齒作為研究對(duì)象，并且忽略鏈輪輪齒下部應(yīng)力、應(yīng)變較小且對(duì)分析結(jié)果影響甚微的局部結(jié)構(gòu)，建立圖1所示的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模型。

圖1 鏈輪-圓環(huán)鏈瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模型

有限元網(wǎng)格全部采用六面體、8節(jié)點(diǎn)單元，建立的有限元模型包含57912個(gè)單元，68298個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.2 材料屬性

鏈輪的材料為30CrMnSiNi，圓環(huán)鏈的材料為23CrNiMnMo54。進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析需要提供的參數(shù)主要有：彈性模量E＝210GPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7.8×10-6kg／mm3。

1.3 邊界條件

按圖1所示分析模型，圓環(huán)鏈拉力載荷均勻施加于兩側(cè)半環(huán)斷面上，圓環(huán)鏈與鏈輪、圓環(huán)鏈間添加接觸約束；對(duì)鏈齒底面所有節(jié)點(diǎn)施加繞鏈輪中心O的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω。

1)圓環(huán)鏈拉力。應(yīng)用動(dòng)力學(xué)分析軟件MSC.ADAMS，通過(guò)對(duì)刮板輸送機(jī)鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行剛體動(dòng)力學(xué)分析，可測(cè)得圖2圓環(huán)鏈的拉力曲線。為了防止載荷突變?cè)斐煞治鍪д?，拉力載荷曲線的前0.16s為準(zhǔn)備階段，使載荷從0線性增加至測(cè)量值。

圖2 平穩(wěn)運(yùn)行過(guò)程中刮板鏈拉力載荷

2)鏈輪轉(zhuǎn)速。平穩(wěn)運(yùn)行過(guò)程中，鏈輪的驅(qū)動(dòng)速度為3.56rad／s。需要注意的是，為了配合0～0.16 s的拉力載荷準(zhǔn)備階段，設(shè)這段時(shí)間內(nèi)鏈輪的驅(qū)動(dòng)速度為0。

2 結(jié)果分析

為了監(jiān)測(cè)鏈窩不同區(qū)域的應(yīng)變、接觸力等響應(yīng)情況，在鏈窩敏感地帶標(biāo)記圖3所示關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖3 鏈輪關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

2.1 典型姿態(tài)下鏈輪的應(yīng)變響應(yīng)

鏈輪的易損區(qū)域在鏈輪鏈窩部分，為了便于分析、對(duì)比，只提取鏈輪鏈窩區(qū)域的應(yīng)變?cè)茍D。圖4顯示了α＝22.5°時(shí)鏈輪的應(yīng)變響應(yīng)，從中可以看出鏈輪在鏈窩表面承載不均，極小區(qū)域承擔(dān)了大部分載荷。應(yīng)變（應(yīng)力)較大區(qū)域，只占整個(gè)鏈窩曲面的極小部分，且位于鏈窩邊緣靠近立環(huán)開(kāi)檔，使用過(guò)程中極易發(fā)生壓潰現(xiàn)象。

圖4 鏈輪鏈窩應(yīng)變響應(yīng)

通過(guò)提取不同姿態(tài)時(shí)鏈輪的應(yīng)變?cè)茍D，可得表1所示鏈輪在7個(gè)典型姿態(tài)時(shí)的最大應(yīng)變。從中可以看出：α＝22.5°時(shí)，鏈窩最大應(yīng)變?yōu)?.92×10-2，是選定7個(gè)典型姿態(tài)中的最大值；α＝90°時(shí)，鏈窩最大應(yīng)變?yōu)?.05×10-2，是選定7個(gè)典型姿態(tài)中的最小值。此外還可得出，α在0°～90°內(nèi)鏈輪的最大應(yīng)變大于90°～180°內(nèi)的最大應(yīng)變，即鏈輪在0°～90°內(nèi)的受力條件比90°～180°更加惡劣。

2.2 鏈輪監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變響應(yīng)

圖5顯示了平穩(wěn)運(yùn)行工況下鏈輪鏈窩監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變響應(yīng)曲線，從圖中可以得出以下結(jié)論。

1)從B／b點(diǎn)應(yīng)變響應(yīng)曲線可以看出，這兩點(diǎn)的應(yīng)變從0.9s以后突然增大；而D／d點(diǎn)的應(yīng)變有一定程度的減小，說(shuō)明鏈輪-圓環(huán)鏈接觸過(guò)稱中出現(xiàn)了明顯的滑動(dòng)。實(shí)際使用情況表明，兩者之間的滑動(dòng)會(huì)對(duì)鏈輪產(chǎn)生磨損，加劇鏈輪失效。

表1 鏈輪鏈窩典型姿態(tài)最大應(yīng)變

2)從F／f點(diǎn)應(yīng)變響應(yīng)曲線可以看出，鏈輪-圓環(huán)鏈傳動(dòng)過(guò)程中，這兩點(diǎn)的應(yīng)變與B／b點(diǎn)相比相差10倍左右，說(shuō)明圓環(huán)鏈并沒(méi)有與鏈窩底平面完全接觸，因此靠近鏈窩底平面的區(qū)域應(yīng)變很小。

2.3 鏈輪監(jiān)測(cè)點(diǎn)法向接觸力響應(yīng)

圖6顯示了平穩(wěn)運(yùn)行工況下鏈輪鏈窩監(jiān)測(cè)點(diǎn)法向接觸力響應(yīng)曲線，從圖中可以得出以下結(jié)論。

1)從B／b、D／d點(diǎn)法向接觸力響應(yīng)曲線，能更加直觀地看出鏈輪-圓環(huán)鏈接觸過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的滑動(dòng)現(xiàn)象；從F／f點(diǎn)能看出圓環(huán)鏈沒(méi)有與鏈窩底平面完全接觸。

圖5 鏈輪鏈窩監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變響應(yīng)

圖6 鏈輪鏈窩監(jiān)測(cè)點(diǎn)法向力響應(yīng)

2)從圖6中還可以看出，整個(gè)分析過(guò)程中D／d點(diǎn)所在區(qū)域法向力長(zhǎng)時(shí)間保持在較大值，是易損部位，再設(shè)計(jì)加工過(guò)程中應(yīng)著重考慮增強(qiáng)措施。

3)試驗(yàn)得出的為鏈窩法向力的縱向分布結(jié)果，便于后期采用不同的摩擦模型分析鏈輪-圓環(huán)鏈的摩擦情況，同時(shí)為鏈輪的優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

2.4 鏈輪監(jiān)測(cè)點(diǎn)切向接觸力響應(yīng)

圖7顯示了平穩(wěn)運(yùn)行工況下鏈輪鏈窩監(jiān)測(cè)點(diǎn)切向接觸力響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，切向力大小相對(duì)于法向力相差10倍左右。

圖7 鏈輪鏈窩監(jiān)測(cè)點(diǎn)切向力響應(yīng)

3 結(jié)論

本文針對(duì)刮板輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行過(guò)程中，鏈輪與圓環(huán)鏈的的接觸響應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，得出了如下結(jié)論：

1)圓環(huán)鏈與鏈輪嚙合過(guò)程中，嚙合前半程（α＝0°～90°)的受力情況較后半程（α＝90°～180°)更加惡劣，但是當(dāng)α＝90°時(shí)受力情形最好。

2)鏈輪在整個(gè)鏈窩曲面承載不均，極小區(qū)域承擔(dān)了大部分載荷，危險(xiǎn)區(qū)域位于鏈窩邊緣且靠近立環(huán)開(kāi)檔的地方，使用過(guò)程中極易發(fā)生壓潰現(xiàn)象。

3)圓環(huán)鏈與鏈輪嚙合過(guò)程中，圓環(huán)鏈與鏈輪之間會(huì)發(fā)生明顯滑動(dòng)，使用過(guò)程中容易造成鏈輪的磨損。

4)圓環(huán)鏈與鏈輪嚙合過(guò)程中，圓環(huán)鏈的底面與鏈窩底平面有一定的間隙。

鏈輪使用情況表明，鏈輪的失效形式主要是鏈窩表面磨損或壓潰，與分析結(jié)果吻合。通過(guò)本文分析，對(duì)鏈輪的改進(jìn)設(shè)計(jì)提出以下建議。

1)針對(duì)鏈輪使用過(guò)程中承載不均狀況，建議將鏈輪鏈窩的標(biāo)準(zhǔn)圓弧曲面修改為鏈環(huán)承載變形后的外廓包絡(luò)面，具體實(shí)施辦法為：對(duì)鏈輪-圓環(huán)鏈嚙合進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析，然后提取變形后的鏈環(huán)外廓包絡(luò)面作為鏈輪鏈窩曲面圓弧段部分；或者提取變形后的鏈環(huán)中心線，然后以其為軌跡，標(biāo)準(zhǔn)圓弧為截面，應(yīng)用三維軟件掃略生成鏈輪鏈窩曲面圓弧段部分。這樣修改產(chǎn)生的積極后果是：輕載工況下，鏈輪與圓環(huán)鏈接觸區(qū)域較??；但是重載工況下，由于圓環(huán)鏈變形導(dǎo)致圓環(huán)鏈與鏈輪接觸面積增大（圖8所示)。鏈輪失效是由于長(zhǎng)時(shí)間處于重載工況，因此改進(jìn)后的鏈輪能有效延緩鏈輪鏈窩表面的壓潰。

圖8 鏈輪優(yōu)化過(guò)程示意圖

2)針對(duì)鏈輪與圓環(huán)鏈滑動(dòng)導(dǎo)致鏈輪鏈窩表面快速磨損現(xiàn)象，在保證鏈輪與圓環(huán)鏈之間順利嚙合的前提下，建議將鏈輪鏈窩按圖9所示進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，這樣能大幅度阻止鏈輪與圓環(huán)鏈之間的滑動(dòng)，同時(shí)能增加鏈輪與圓環(huán)鏈的接觸面積，一定程度上延緩鏈輪鏈窩表面的磨損與壓潰。

圖9 防滑型鏈輪改進(jìn)過(guò)程示意圖

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