轉(zhuǎn)速對圓環(huán)鏈熱浸鍍鋁振動系統(tǒng)影響

蔡玉強，董曉蕊

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

轉(zhuǎn)速對圓環(huán)鏈熱浸鍍鋁振動系統(tǒng)影響

蔡玉強，董曉蕊

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

圓環(huán)鏈；熱浸鍍鋁；振動系統(tǒng)；Adams；位移變化

圓環(huán)鏈作為牽引鏈廣泛應用于刮板輸送機、刨煤機、滾筒采煤機等煤礦井下工作機上。由于煤礦井下環(huán)境惡劣，圓環(huán)鏈易因磨損和腐蝕而發(fā)生斷裂現(xiàn)象。在鋼材表面熱浸鍍鋁可改善鋼材的耐蝕、耐磨、耐候等性能，但由于鏈環(huán)之間環(huán)環(huán)相扣，熱鍍時連接處易產(chǎn)生漏渡、粘結(jié)等技術(shù)難題在國內(nèi)一直沒有得到解決。為此，在熱浸鍍鋁生產(chǎn)線上開發(fā)研究了圓環(huán)鏈熱浸鍍鋁振動系統(tǒng)，置于浸鍍鋁鍋之前，并基于Adams軟件，探究了浸入鋁液的2個鏈環(huán)振動過程中在不同轉(zhuǎn)速下連接處的位移變化規(guī)律。研究表明，振動能夠使圓環(huán)鏈連接處分離產(chǎn)生縫隙，鋁液可以進入圓環(huán)鏈的連接處從而在圓環(huán)鏈表面獲得連續(xù)均勻的熱鍍層。鏈輪轉(zhuǎn)速10°/s為最優(yōu)轉(zhuǎn)速。

高強度圓環(huán)鏈作為牽引鏈廣泛應用于刮板輸送機、刨煤機、滾筒采煤機等煤礦井下工作機上。因煤礦井下環(huán)境惡劣，圓環(huán)鏈常因磨損腐蝕而導致鏈環(huán)斷裂。鋼材表面熱浸鍍鋁形成鍍層可有效改善鋼材的耐蝕、耐磨、耐候等性能[1]，熱浸鍍鋁技術(shù)是一種表面處理技術(shù)，將經(jīng)過一定預處理的鋼鐵材料放入一定溫度的熔融鋁液中浸漬適當時間，鋼鐵表面和鋁液之間發(fā)生一系列物理化學變化，通過擴散在鋼鐵表面即可形成鐵鋁合金防護鍍層[2]。國內(nèi)外眾多學者對熱鍍鋁技術(shù)進行了研究。熱浸鍍鋁的專利報道于1893年，于1955年完成鋼材表面熱浸鍍純鋁。60年代初美國、日本、英國逐步建成了鋼帶表面熱浸鍍鋁生產(chǎn)線[3]。日本引進1977年瑞士發(fā)明的快速熱浸鍍鋁技術(shù)，建立了鋼絲表面熱鍍純鋁生產(chǎn)線。國內(nèi)1996年冶金部鋼鐵研究總院采用森吉米爾法建成了我國鋼帶熱浸鍍鋁生產(chǎn)線[4]。2000年宋世崑等采用溶劑法完成了對鋼絲熱浸鍍鋁試驗[5]。但他們的研究對象多為鋼絲和鋼板，對圓環(huán)鏈的研究甚少。主要是由于在熱浸鍍鋁過程中，圓環(huán)鏈之間環(huán)環(huán)相扣，每2個相鄰鏈環(huán)的連接處，易產(chǎn)生漏渡、粘接等問題。 為此，在熱浸鍍鋁生產(chǎn)線上開發(fā)研究了圓環(huán)鏈熱浸鍍鋁振動系統(tǒng)，置于浸鍍鋁鍋之前，并基于Adams軟件，探究浸入鋁液的2個鏈環(huán)振動過程中在不同轉(zhuǎn)速下連接處的位移變化規(guī)律，以判定振動過程浸于鋁液中的2個鏈環(huán)能否產(chǎn)生縫隙保證鋁液進入以獲得均勻鍍層，找到最優(yōu)轉(zhuǎn)速。

1 圓環(huán)鏈與鏈輪選型設計

圓環(huán)鏈根據(jù)GB/T 12718-2001《礦用高強度圓環(huán)鏈》標準，其規(guī)格為 的C級圓環(huán)鏈，如圖1所示，基本尺寸見表1。鏈輪根據(jù)《GB/T24503-2001礦用圓環(huán)鏈驅(qū)動鏈輪設標準》設計，鏈輪材料為30CrMnTi鋼，彈性模量為206 GPa，屈服應力為2.3 GPa，泊松比為0.3。

圖1 圓環(huán)鏈尺寸

鏈環(huán)直徑d/mm節(jié)距p/mm內(nèi)寬amin外寬bmax圓弧半徑r/mm焊接直徑d1/mm焊接長度e/mm單位長度質(zhì)量/kg·m?134±1．0126±1．2381095236．523．822．7

2 基于Adams的仿真分析

2.1 模型創(chuàng)建

首先基于Creo建立圓環(huán)鏈傳動系統(tǒng)三維實體模型。建模時忽略了對仿真結(jié)果幾乎沒有影響的圓角、焊縫等幾何特征，以提高模型的求解速度[6]。如圖2所示為裝配好的三維模型。裝配時設置最低端圓環(huán)鏈(LIAN11)的幾何中心為整個模型的坐標原點。需要說明的是：為了保證所創(chuàng)建模型導入到Adams后零件之間能夠施加約束，在Creo中裝配模型時，不需要定義約束副，只需確保各零件間的相對位置沒有干涉即可[7]。

圖2 仿真用三維模型

最后把在Creo的裝配圖另存為擴展名為與Adams兼容的x_t文件，導入到Adams/view。

2.2 定義剛體

在Adams仿真過程中假設各個運動構(gòu)件為剛體。設置工作柵格平面與鏈輪中心軸垂直，并與鏈輪的中間平面重合，Creo中建立的位于LIAN11中心的坐標系為工作坐標系。定義單位制為MMKS。鏈環(huán)、鏈輪和鏈輪軸的質(zhì)量屬性為steel。把大地定義為參照基準。

2.3 施加約束

導入仿真模型后，需要對導入模型添加約束關系。仿真過程中左邊鏈輪即要繞著鏈輪軸轉(zhuǎn)動，又要沿著Y軸方向上下振動，右邊鏈輪要同步左邊鏈輪轉(zhuǎn)動。所以定義左邊鏈輪與鏈輪軸之間的轉(zhuǎn)動副和鏈輪軸與大地之間的移動副。定義右邊鏈輪與鏈輪軸之間的轉(zhuǎn)動副，鏈輪軸與大地之間的轉(zhuǎn)動副。

2.4 定義接觸

2.4.1 接觸模型選擇

圓環(huán)鏈與鏈輪的嚙合很復雜，不是簡單的運動副，在不影響仿真效果的前提下，定義好鏈環(huán)和鏈輪之間的接觸，就可以進行仿真。Adams軟件中，處理多剛體的接觸現(xiàn)象有2種方法：恢復系數(shù)法(Restitution)和沖擊函數(shù)法(Impact)[8]。

恢復系數(shù)法是一種簡化的處理方法，僅用接觸剛度和碰撞恢復系數(shù)2個參數(shù)來計算碰撞行為[9]。沖擊函數(shù)法是將接觸碰撞現(xiàn)象處理為連續(xù)的動力學問題，將碰撞過程中接觸力等效成一個彈簧阻尼模型。2種計算接觸的模型中，沖擊函數(shù)法計算模型仿真效果較好，但仿真速度較慢[8]；恢復系數(shù)法計算模型參數(shù)簡單，計算量小，但無法計算接觸力，且系數(shù)需要通過試驗獲得[10]。圓環(huán)鏈平環(huán)與立環(huán)、圓環(huán)鏈與鏈輪之間應施加接觸力，故選用沖擊函數(shù)法。圖3為彈簧阻尼模型定義的接觸。

圖3 彈簧阻尼模型定義的接觸

2.4.2 定義接觸

在模型中建立的接觸包括：每個鏈環(huán)與2個鏈輪之間的接觸與每2個鏈環(huán)之間的接觸。接觸類型選擇實體對實體，法向力選擇沖擊函數(shù)法，剛度系數(shù)設為5.6E+005，力指數(shù)設為2.2，阻尼系數(shù)設為1.0E+004，穿透深度設為1.0E-004，在Normal Force選項中選擇。摩擦力的設定選擇庫倫法，靜摩擦系數(shù)、動摩擦系數(shù)、靜平移速度、摩擦平移速度取默認值。

2.5 轉(zhuǎn)速的確定

在鋼材熱浸鍍鋁過程中，鋼鐵材料與鋁液發(fā)生反應需要一定的時間，轉(zhuǎn)速過快會導致圓環(huán)鏈在鋁液中時間太短，鋼鐵與鋁液反應不完全，造成鍍層不均勻或者出現(xiàn)漏渡的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速過慢則會導致圓環(huán)鏈表面附著純鋁層太厚，而增大了圓環(huán)鏈直徑，影響其傳動性能。

熱浸鍍鋁時浸入鋁鍋的圓環(huán)鏈大約有3個，從圓環(huán)鏈開始進入鋁鍋到離開鋁鍋所走的直線距離為200 mm，而鏈輪轉(zhuǎn)過1個輪齒的距離圓環(huán)鏈所走的直線距離為212 mm，鏈輪轉(zhuǎn)過52 ℃。在反應時間3～5 s內(nèi)，鏈輪最多轉(zhuǎn)過50 ℃，所以鏈輪轉(zhuǎn)速最快為17 °/s。而鏈輪轉(zhuǎn)速過慢也會影響熱浸鍍鋁的效果，所以鏈輪的轉(zhuǎn)速在10 ～15 °/s最為合適。故以10 °/s、12 °/s和15 °/s 3種轉(zhuǎn)速來進行試驗，探究浸入鋁液的2個鏈環(huán)振動過程中連接處的位移變化規(guī)律。

2.6 添加驅(qū)動

左邊鏈輪中心添加的驅(qū)動正弦力，使其上下移動。2個鏈輪中心與鏈輪軸之間的轉(zhuǎn)動副添加相同的驅(qū)動，使兩輪同角速度轉(zhuǎn)動。

3 仿真結(jié)果

在進入鋁液的3個鏈環(huán)LIAN10、LIAN11、LIAN12的連接處分別建立屬于2個鏈環(huán)的market點，LIAN10上的market70與LIAN11上的market71接觸，LIAN11上的market72與LIAN12上的market73接觸。仿真完成后，比較接觸位置2個market點的相對位移，以確定2個鏈環(huán)是否完全分開。

在設置完成后就可以開始進行仿真運行。轉(zhuǎn)速為10°/s時仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。由圖4可以看出在振動過程中，最低端浸入鋁液中的鏈環(huán)10和鏈環(huán)11接觸點處和鏈環(huán)11和鏈環(huán)12接觸點處在X、Y、Z3個方向均有一定的位移，尤其是Y方向有較大的位移，幾乎全程分開的，Z方向也有較大位移，但是波動較大。即在振動的情況下可以使接觸點徹底分開一定的距離，由于液體的流動性，鋁液可以進入兩鏈環(huán)的接觸位置。由圖5所示兩接觸點處接觸力可以看出只有在振動剛剛啟動的時候有較大的接觸力，絕大多數(shù)時間內(nèi)由于施加振動所造成的接觸力接近于0。

圖4 4個標記點對應的位移變化

圖5 兩接觸點處接觸力

轉(zhuǎn)速為12°/s時仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6可以看出，在振動過程中，最低端浸入鋁液中的鏈環(huán)10和鏈環(huán)11接觸點處和鏈環(huán)11和鏈環(huán)12接觸點處在X、Y、Z3個方向均有一定的位移，X方向位移較小，Y方向幾乎是全程分開的，Z方向位移波動相較于轉(zhuǎn)速為10°/s時稍顯平緩。在振動的情況下可以使接觸點徹底分開一定的距離，由于液體的流動性，鋁液可以進入兩鏈環(huán)的接觸位置。由圖7所示兩接觸點處接觸力可以看出接觸力波動相較于轉(zhuǎn)速為10°/s時平緩，但部分時間接觸力大。

圖6 4個標記點對應的位移變化

圖7 兩接觸點處接觸力

轉(zhuǎn)速為15 °/s時仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8可以看出，在振動過程中，最低端浸入鋁液中的鏈環(huán)10和鏈環(huán)11接觸點處和鏈環(huán)11和鏈環(huán)12接觸點處在X、Y、Z3個方向均有一定的位移，X方向位移波動微小，Y方向幾乎是全程分開的，Z方向位移波動相較于轉(zhuǎn)速為10°/s時稍顯劇烈。在振動的情況下可以使接觸點徹底分開一定的距離，由于液體的流動性，鋁液可以進入兩鏈環(huán)的接觸位置。由圖9所示兩接觸點處接觸力可以看出接觸力波動相對于轉(zhuǎn)速為10°/s時較大且波動劇烈。

圖8 4個標記點對應的位移變化

圖9 兩接觸點處接觸力

上述分析對比可知，在轉(zhuǎn)速分別為10 °/s、12 °/s和15 °/s時，根據(jù)鋁液中鏈環(huán)的2個接觸點在振動過程中的X、Y、Z3個方向的位移變化規(guī)律可知鏈環(huán)連接處產(chǎn)生縫隙，實現(xiàn)了徹底的分離，使鋁液可以進入圓環(huán)鏈的連接處，完成物理化學反應，從而在圓環(huán)鏈表面形成完整鍍鋁膜。轉(zhuǎn)速為10 °/s時，Z方向的位移波動相較于轉(zhuǎn)速為12 °/s和15 °/s時稍有增大，但轉(zhuǎn)速為15 °/s時產(chǎn)生的接觸力明顯大于轉(zhuǎn)速為10 °/s和12 °/s產(chǎn)生的接觸力，12 °/s時部分時間接觸力較大，在鋁液中溫度高達600 ℃左右，會對鏈環(huán)造成不利影響。對比分析顯然10 °/s為較合適轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)論

(1)基于Adams軟件，對開發(fā)研究的圓環(huán)鏈熱浸鍍鋁振動系統(tǒng)進行了振動參數(shù)仿真分析，得到了浸入鋁液的2個鏈環(huán)振動過程連接處的位移變化規(guī)律。并試驗了轉(zhuǎn)速為10 °/s、12 °/s和15 °/s時，比較在相同振動參數(shù)下接觸點處產(chǎn)生的位移變化和鏈環(huán)產(chǎn)生的接觸力。

(2)3種轉(zhuǎn)速下振動均能夠使圓環(huán)鏈連接處分離產(chǎn)生縫隙，鋁液可以進入圓環(huán)鏈的連接處，完成物理化學反應，從而在圓環(huán)鏈表面形成完整鍍鋁膜，對比3種轉(zhuǎn)速結(jié)果，轉(zhuǎn)速為10 °/s時更適合。研究結(jié)論可為圓環(huán)鏈熱浸鍍鋁工藝和設備設計提供了參數(shù)選擇依據(jù)。

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Effect of Rotating Speed on Vibration System Parameters of Ring Chain Hot Dip Aluminizing

CAI Yu-qiang, DONG Xiao-rui

(College of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063210, China)

ring chain; hot-dip aluminizing; vibration system; Adams; displacement variation

As the traction chain, ring chain is widely used in scraper conveyor, coal plough, shearer coal mine and other working machine underground. Because of the coal mine environment underground is bad, ring chain easily rupture because of wear and corrosion. Hot-dip aluminizing on steel surface can improve the corrosion resistance, wear resistance, weather resistance and other properties of steel, but the technical problems such as the leakage dip and bonding together at the connection site of chains because of the chain interlocking have not been solved in the process of hot-dip aluminizing in China. Therefore, the vibration system was developed, which was set in the front of hot-dip aluminizing pot on hot-dip aluminizing production line, and the displacement variation at the junction of two links in vibration process of liquid aluminum with different speed was explored based on Adams software. The results show that the vibration can make the chain connection separation and produce gap, the aluminum liquid can enter the connection point of the ring chains to obtain a continuously homogeneous hot coating on the surface of the ring chain. The optimal speed of the wheel is 10°/s.

2095-2716(2017)02-0072-10

2016-10-25

2017-03-28

河北省三三三人才工程培養(yǎng)資助項目 (A201400214)。

TG156.8+6

A