刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)數(shù)值模擬研究分析

史小軍

（山西省陽泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

鏈傳動(dòng)裝置是刮板輸送機(jī)重要的組成部分，其工作性能直接關(guān)系到刮板輸送機(jī)的工作效率。鏈傳動(dòng)裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過程通過圓鏈環(huán)間的接觸實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于圓環(huán)鏈和鏈輪間的應(yīng)力變化使得連接面發(fā)生疲勞損壞，所以對(duì)圓鏈環(huán)間的接觸及圓鏈環(huán)與圓環(huán)鏈?zhǔn)鞘钟斜匾?，此前?guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過一定的研究。原長(zhǎng)鎖[1]等利用anasys數(shù)值模擬軟件對(duì)鏈輪與圓環(huán)受力進(jìn)行研究，基于無線傳感技術(shù)給出了鏈輪故障檢測(cè)裝置，并驗(yàn)證了故障檢測(cè)裝置的可行性，為解決鏈條故障提供參考。孫建華[2]為了解決復(fù)雜工況下輸送機(jī)鏈輪磨損的問題，對(duì)刮板輸送機(jī)的鏈輪失效形式進(jìn)行分析，通過對(duì)應(yīng)力集中部位進(jìn)行優(yōu)化，有效提升了刮板輸送機(jī)的使用壽命及工作效率。蘇華陽[3]為了提升刮板輸送機(jī)鏈輪及圓環(huán)鏈的使用壽命，采用正交優(yōu)化法對(duì)不同參數(shù)下鏈輪與圓環(huán)輪的接觸狀態(tài)進(jìn)行分析，根據(jù)對(duì)接觸應(yīng)力進(jìn)行研究，給出了最優(yōu)的圓環(huán)輪與鏈輪的參數(shù)組合。馮濤[4]對(duì)圓環(huán)輪及鏈輪進(jìn)行建模，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)鏈傳動(dòng)進(jìn)行仿真研究，給出了正常運(yùn)轉(zhuǎn)下的加速曲線及速度曲線。本文通過ABAQUS數(shù)值模擬軟件對(duì)刮板輸送機(jī)的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，為鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化提供一定的借鑒。

1 圓環(huán)鏈接觸模擬分析

刮板輸送機(jī)在啟動(dòng)瞬間會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊載荷，使得圓環(huán)鏈接觸位置發(fā)生磨損，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)影響整個(gè)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的性能，所以為了對(duì)其進(jìn)行研究，建立圓環(huán)鏈與圓環(huán)鏈的接觸模型，考慮到的計(jì)算的問題，本文對(duì)圓環(huán)鏈間的接觸進(jìn)行簡(jiǎn)化，選用Φ14×50圓環(huán)鏈為研究對(duì)象，在進(jìn)行建模時(shí)假設(shè)鏈環(huán)截面尺寸相同，忽略鏈輪間接觸位置由于雜質(zhì)等原因造成的干擾，建立5個(gè)圓環(huán)鏈，5個(gè)圓環(huán)鏈中2、4為平環(huán)，1、3、5為立環(huán)。圓環(huán)鏈材料選定為23MnNiCrMo，材料的密度設(shè)定為7 860 kg/m3，泊松比設(shè)定為0.25，材料的彈性模量設(shè)定為7 860 kg/m3。圓環(huán)鏈互相首尾相連，對(duì)圓環(huán)鏈進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)需要考慮模擬的精度及計(jì)算機(jī)的運(yùn)行內(nèi)存，同時(shí)由于在圓環(huán)鏈相連接的位置受力作用明顯，所以對(duì)圓環(huán)鏈的接觸位置網(wǎng)格進(jìn)行加密，直線段網(wǎng)格劃分可適當(dāng)稀疏，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分示意圖

完成模型的初始設(shè)置后對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，圓環(huán)鏈瞬間應(yīng)力位移云圖如2所示。

圖2 圓環(huán)鏈瞬間應(yīng)力和位移云圖

從圓環(huán)鏈應(yīng)力云圖可以看出，模型的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在圓環(huán)鏈接觸的位置，最大值為808.3 MPa，同時(shí)根據(jù)應(yīng)力圖可以看出，圓環(huán)鏈直線過渡到曲線的位置出現(xiàn)應(yīng)力的改變，且應(yīng)力的改變主要集中在圓環(huán)鏈的內(nèi)側(cè)，在圓環(huán)鏈的外側(cè)應(yīng)力變化幅度不大。模型的右端圓環(huán)鏈?zhǔn)艿降膽?yīng)力小于左側(cè)圓環(huán)鏈，這是由于右側(cè)段為應(yīng)力加載端，在受到應(yīng)力加載后，左側(cè)端受到?jīng)_擊，沖擊拉力造成應(yīng)力值較大。觀察圓環(huán)鏈位移云圖可以看出，圓環(huán)鏈的最大變形位置出現(xiàn)在從左數(shù)第4、5圓鏈環(huán)的接觸位置，最大的位移量為1.473 mm，右端圓環(huán)鏈?zhǔn)艿綉?yīng)力加載后，發(fā)生向右的運(yùn)動(dòng)，在拉應(yīng)力傳遞過程中，圓環(huán)鏈間的位移變形量逐步減小，圓環(huán)鏈從右到左的變形量依次為1.473 mm、1.2 mm、0.832 mm和0.114 mm。所以在進(jìn)行圓環(huán)鏈時(shí)可將率先受力的位置進(jìn)行材料補(bǔ)強(qiáng)，以此來減小圓環(huán)鏈間的磨損。

2 圓環(huán)鏈與鏈輪接觸模擬分析

對(duì)圓環(huán)鏈與鏈輪的接觸進(jìn)行分析，對(duì)模型的材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，圓環(huán)鏈的材料屬性已經(jīng)給出，鏈輪的材料選定為42CrMo，材料的彈性模量及材料泊松比分別為210 GPa和0.3，材料的密度為7 800 kg/m3。網(wǎng)格劃分時(shí)需要對(duì)鏈窩位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。對(duì)模型進(jìn)行邊界設(shè)置，在啟動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)鏈輪，鏈輪帶動(dòng)圓環(huán)鏈，所以對(duì)鏈輪添加轉(zhuǎn)動(dòng)約束，并給定逆時(shí)針方向的扭矩，對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。驅(qū)鏈輪與圓環(huán)鏈接觸位移云圖如3所示。

圖3 驅(qū)鏈輪與圓環(huán)鏈接觸的位移（mm）云圖

觀察圖3位移變化云圖可以看出，鏈輪在扭矩的作用下做逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，鏈輪與圓環(huán)鏈接觸的位置應(yīng)變較大，位移的最大值為1.703 mm，圓環(huán)鏈的位移量從上到下依次減小，從頂端至底板的位移量分別為 0.549 mm、0.509 mm、0.493 mm。

為了更好地對(duì)圓環(huán)鏈及鏈輪受力進(jìn)行分析，將圓環(huán)鏈及鏈輪進(jìn)行分離如圖4所示。

根據(jù)圖4可以看出，圓鏈輪的應(yīng)力呈現(xiàn)從上之下減小的趨勢(shì)，這是由于在圓環(huán)鏈與鏈輪在上端接觸時(shí)受到更大的沖擊載荷，使得圓鏈輪上端的應(yīng)力呈現(xiàn)更加明顯且圓環(huán)鏈的曲線端與直線端的應(yīng)力較大，最大的等效應(yīng)力為966 MPa。這也可以說明在刮板輸送機(jī)啟動(dòng)的瞬間，圓環(huán)鏈與鏈輪接觸位置易發(fā)生破壞。觀察鏈輪的應(yīng)力分布可以看出，鏈輪的應(yīng)力主要分布在嚙入端與圓環(huán)鏈的平行端接觸位置，鏈輪所受應(yīng)力的大小隨著逆時(shí)針依次減小，刮板輸送機(jī)在啟動(dòng)瞬間使得圓環(huán)鏈與鏈輪發(fā)生摩擦，在鏈窩處出現(xiàn)應(yīng)力集中，隨著鏈輪旋轉(zhuǎn)，圓環(huán)鏈從鏈窩平面向鏈輪的圓弧位置移動(dòng)（爬齒）。在鏈窩的底面及頂面位置應(yīng)力較大，在鏈窩接近立環(huán)槽的區(qū)域出現(xiàn)等效應(yīng)力的最大值為1 450 MPa，所以在機(jī)械啟動(dòng)瞬間，此位置易發(fā)生破壞，所以應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)承載區(qū)的強(qiáng)度。

根據(jù)以上模擬可以看出，圓環(huán)鏈在瞬間啟動(dòng)時(shí)，圓環(huán)鏈的曲線及直線端會(huì)存在明顯的應(yīng)力變化，且在圓環(huán)鏈的接觸位置出現(xiàn)最大值。鏈輪鏈窩的側(cè)面及底面出現(xiàn)應(yīng)力變化，且在鏈窩的過渡面接近立環(huán)槽出現(xiàn)最大值。所以對(duì)刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，首先對(duì)圓環(huán)鏈進(jìn)行配對(duì)，由于加工的精度使得圓環(huán)鏈?zhǔn)芰Σ痪?，降低圓環(huán)鏈的使用壽命，所以需要對(duì)圓環(huán)鏈進(jìn)行嚴(yán)格配對(duì)；鏈窩優(yōu)化，通過分析發(fā)現(xiàn)鏈窩位置應(yīng)力集中，所以對(duì)鏈窩進(jìn)行加強(qiáng)，提升鏈窩的強(qiáng)度，同時(shí)調(diào)整圓環(huán)鏈與鏈窩嚙合處的間隙，以此達(dá)到傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。

圖4 圓環(huán)鏈及鏈輪應(yīng)力（MPa）云圖

3 結(jié)論

1）通過對(duì)5節(jié)圓環(huán)輪進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)右端圓環(huán)鏈?zhǔn)艿綉?yīng)力加載后，發(fā)生向右的運(yùn)動(dòng)，在拉應(yīng)力傳遞過程中，圓環(huán)鏈間的位移變形量逐步減小，圓環(huán)鏈從右到左的變形量依次為1.473 mm、1.2 mm、0.832 mm和0.114 mm。

2）通過分析發(fā)現(xiàn)圓鏈輪的應(yīng)力呈現(xiàn)從上到下減小的趨勢(shì)，圓環(huán)鏈與鏈輪在上端接觸時(shí)受到?jīng)_擊載荷最大，最大的等效應(yīng)力為966 MPa，在鏈窩的底面及頂面位置應(yīng)力較大，在鏈窩接近立環(huán)槽的區(qū)域出現(xiàn)等效應(yīng)力的最大值為1 450 MPa。

3）鏈輪與圓環(huán)鏈接觸的端位移變形較大，位移的最大值為1.703 mm，圓環(huán)鏈的位移量從上到下依次減小，從頂端至底板的位移量分別為0.549 mm、0.509 mm、0.493 mm。