綜掘機(jī)刮板運(yùn)行阻力及鏈條可靠性

謝 苗，吳 霞

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

刮板式運(yùn)輸機(jī)是綜掘機(jī)的重要組成部分.截割頭截下的物料散落在鏟板處，收集后并由星輪裝置推送到刮板運(yùn)輸機(jī)端頭，再通過(guò)刮板鏈條裝置將物料運(yùn)送至綜掘機(jī)尾部.受結(jié)構(gòu)、環(huán)境、工況等多種因素影響，物料硬度、尺寸過(guò)大、瞬間運(yùn)輸量的加大以及長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸卡鏈板及底板與溜槽連接的角隅附著干硬物料塊，致使刮板鏈易發(fā)生卡鏈現(xiàn)象.

MURPHY[1]設(shè)計(jì)了一種新方法可實(shí)時(shí)描述刮板輸送機(jī)負(fù)載變化；KLOSS[2]采用離散元法對(duì)刮板輸送機(jī)物料裝載過(guò)程和物料卸載過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬.朱瑾[3]等研究了在不同磨料作用下耐磨鋼的磨料磨損機(jī)理.李惟慷[4]等研究了基于極端工況情況下鏈條的運(yùn)行阻力產(chǎn)生機(jī)理.劉治翔[5]等研究了基于考慮物料分布特征的綜采機(jī)刮板輸送機(jī)運(yùn)行阻力計(jì)算方法.李軍霞[6]等基于多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了刮板鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的樣機(jī)模型，仿真分析了卡鏈工況下，平環(huán)與立環(huán)的連接合力及平環(huán)與鏈輪的嚙合力.陳海江[7]推導(dǎo)了刮板輸送機(jī)運(yùn)行阻力及鏈條預(yù)緊力的理論計(jì)算公式，列舉了幾種不同驅(qū)動(dòng)裝置的刮板輸送機(jī)運(yùn)行阻力及預(yù)緊力的計(jì)算.張虎[8]對(duì)刮板運(yùn)輸機(jī)的刮板鏈的強(qiáng)度進(jìn)行了合理的實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)一步闡述了刮板運(yùn)輸機(jī)上的合理應(yīng)用.朱斌[9]等利用有限元和相對(duì)類似損傷理論的方法對(duì)礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈進(jìn)行了壽命預(yù)測(cè).毛君[10]等出版了專著《刮板輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)行為分析與控制理論研究》.

本文通過(guò)對(duì)卡鏈時(shí)綜掘機(jī)刮板運(yùn)輸機(jī)鏈條的強(qiáng)度仿真分析，研究鏈條的可靠性.考慮物料的堆積狀態(tài)，對(duì)鏈條體系的受力進(jìn)行分析，建立運(yùn)輸鏈條的靜力學(xué)模型，為后續(xù)進(jìn)行偏置載荷影響下的鏈條壽命預(yù)測(cè)、安全系數(shù)計(jì)算、鏈條振動(dòng)特性、運(yùn)輸機(jī)穩(wěn)定性分析等提供依據(jù).

1 刮板運(yùn)行阻力分析

綜掘機(jī)刮板運(yùn)輸機(jī)由前溜槽、中溜槽、后溜槽、張緊裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、刮板鏈、中部槽和鏈條擋板等組成，見圖1.

圖1 刮板運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 structure of scraper conveyor

刮板鏈由刮板和鏈條組成，其作用是承受載荷、傳遞動(dòng)力以及輸送物料. 運(yùn)輸機(jī)工作中主要克服以下阻力：貨載及刮板鏈在中部槽上的移動(dòng)阻力，負(fù)載及刮板鏈沿輸送方向的的自重分力（安裝傾角和綜掘機(jī)運(yùn)行坡度），刮板鏈在無(wú)載側(cè)的移動(dòng)阻力，刮板鏈繞過(guò)機(jī)頭、機(jī)尾鏈輪時(shí)的彎曲阻力等.

本文針對(duì)刮板運(yùn)輸機(jī)有載側(cè)的刮板鏈運(yùn)輸阻力進(jìn)行研究.

1.1 物料摩擦阻力分析

溜槽中物料的運(yùn)行阻力主要來(lái)自煤塊與中部槽底板的摩擦阻力fw.考慮刮板鏈穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下散體物料的堆積狀態(tài)[11]，構(gòu)建物料的微堆積表達(dá)式，見圖2.

圖2 物料堆積狀態(tài)示意Fig.2 schematic diagram of material stacking status

定義運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行方向?yàn)閥軸正向，則

式中，Z(x)為物料在dy截面的堆高函數(shù)；ρ1為物料密度，t/m3；μ1為物料與鋼板摩擦系數(shù)；θ為刮板運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行傾角（安裝傾角±掘進(jìn)坡角），°.

1.2 刮板摩擦阻力分析

將刮板視為均質(zhì)體，則刮板受到的摩擦阻力為刮板本身與刮板上方承載的物料的重力在運(yùn)行方向產(chǎn)生的摩擦力和刮板上方承載的物料對(duì)刮板產(chǎn)生的摩擦力.

刮板的摩擦阻力計(jì)算式為

式中，mg為刮板單位長(zhǎng)度質(zhì)量，kg/m；h為刮板高度，m；b為刮板厚度，m；μ2為刮板與中部槽底板摩擦系數(shù).

1.3 刮板鏈體系受力分析

圖3中，F(xiàn)1(i)為第i個(gè)刮板受到的鏈條1的牽引力，F(xiàn)1s(i-1)為第i-1對(duì)鏈條中鏈條1對(duì)第i個(gè)刮板的拖拽力，F(xiàn)2(i)為第i個(gè)刮板受到的鏈條2的牽引力，dFw(i)為第i與i+1個(gè)刮板間的物料對(duì)第i個(gè)刮板的阻力，dFg(i)為第i個(gè)刮板的本體阻力，i=1,2,…,18.

圖3 刮板鏈體系受力分析Fig.3 stress analysis of scraper chain system

刮板鏈體系靜力學(xué)方程

2 刮板鏈?zhǔn)芰?shù)值模擬

以本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的J320綜掘機(jī)刮板運(yùn)輸機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)刮板可能承載物料的不同情況，設(shè)定物料的堆高函數(shù)Z(x)，通過(guò)Matlab進(jìn)行數(shù)值仿真，研究鏈條的受力變化情況，刮板運(yùn)輸機(jī)主要參數(shù)見表1.

表1 J320綜掘機(jī)刮板運(yùn)輸機(jī)主要參數(shù)Tab.1 main parameters of scraper conveyor of J320 comprehensive excavator

2.1 初始值及堆高函數(shù)

初始值為b=0.034 m，d=0.5 m，θ=30°，ρ1=0.75×103kg/m3，mg=9.4 kg/m，ml=6.64 kg/m，h=0.066 m，μ1=0.84，μ2=0.3，l0=0.49 m.

根據(jù)物料在運(yùn)輸槽內(nèi)的幾種特殊堆積狀態(tài)，設(shè)定研究?jī)?nèi)容的物料堆高函數(shù)為以下幾種類型Z1(x)=45.2x4-48.2x3+13.8x2-0.518x+0.064 5，Z2(x)=10.2x4-0.513x3-5.9x2+1.82x+0.060 7，Z3(x)=-24.4x4+14.6x3-2.39x2+0.606x+0.032 9.

圖4為物料堆積形狀函數(shù)圖像.

圖4 堆積形狀的Matlab擬合Fig.4 fitting curve of stacked shape with Matlab

2.2 物料堆積引起的偏置載荷

取初始條件為

定義物料沿運(yùn)輸方向的堆積狀況為均勻堆積，針對(duì)物料堆積2進(jìn)行數(shù)值模擬，得出兩條鏈的載荷變化情況，見圖5.

圖5 鏈條在堆積2情況下的載荷Fig.5 load of chain in case of accumulation 2

由圖5可以得出：貨載整體偏置對(duì)兩條鏈的載荷差值影響最大為700 N，因此，在分析鏈條運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可忽略物料的堆積因素對(duì)刮板鏈條運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，但卡鏈阻力對(duì)鏈條產(chǎn)生的瞬間牽引力會(huì)造成鏈條運(yùn)行失穩(wěn).

隨著機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的速度、質(zhì)量以及運(yùn)輸機(jī)溜槽結(jié)構(gòu)等狀態(tài)的復(fù)雜程度不斷變化，當(dāng)鏈條在不同位置受到瞬時(shí)阻力，機(jī)械發(fā)生振動(dòng)的狀態(tài)的復(fù)雜程度也將不斷增加.由于鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)，使得這種耦合振動(dòng)的疊加更加復(fù)雜，加大了驅(qū)動(dòng)裝置受損的可能性.因此，本文建立的刮板鏈條體系靜力學(xué)模型還可為刮板受到?jīng)_擊載荷時(shí)鏈條的動(dòng)載荷研究提供基礎(chǔ).

3 卡鏈時(shí)鏈條的可靠性

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工作情況分析，在掘進(jìn)機(jī)工作一段時(shí)間后將會(huì)出現(xiàn)由于水與煤灰的混合物在刮板的抹擦作用下形成膠狀物粘黏并固結(jié)在中部槽側(cè)壁和個(gè)別硬度較大的大塊巖石卡在轉(zhuǎn)向輪與鏟板溜槽的狹小空間中等情況，這些不利工況對(duì)運(yùn)行當(dāng)中的刮板產(chǎn)生的瞬間阻力最高可達(dá)38 kN[12]，因此本文將對(duì)卡鏈時(shí)鏈環(huán)的靜強(qiáng)度進(jìn)行分析.

鏈環(huán)的主要性能參數(shù)：鏈環(huán)型號(hào)為φ18mm×64 mmB，采用全鎮(zhèn)靜鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7.8×103 kg/m3，強(qiáng)度極限為785 MPa.

在Solidworks中建立鏈環(huán)的三維模型，對(duì)模型的關(guān)鍵部位即彎曲部分表面進(jìn)行曲線分割，便于在Ansys中添加約束和載荷，同時(shí)對(duì)局部進(jìn)行網(wǎng)格加密，提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度.在Ansys Workbench分析軟件中進(jìn)行靜力學(xué)仿真.相鄰兩個(gè)鏈環(huán)之間接觸關(guān)系設(shè)置為摩擦接觸，系數(shù)設(shè)置為0.2，對(duì)圖6（a）左側(cè)鏈環(huán)1的左端施加固定約束，見圖6（a）的黃色區(qū)域，右側(cè)鏈環(huán)2右端施加水平向右38 kN的力，為圖示的紅色區(qū)域，并在網(wǎng)格設(shè)置中選中更密的接觸網(wǎng)格，最終劃分的網(wǎng)格數(shù)為742 506，仿真結(jié)果見圖6.

圖6 鏈環(huán)受力仿真Fig.6 force simulation of chain link

圖6（a）為鏈條的約束和載荷設(shè)置模型，圖6（b）為鏈環(huán)2在水平方向的位移云圖，圖6（c）為鏈環(huán)1的應(yīng)力云圖，圖6（d）為鏈環(huán)1彎曲處與鏈環(huán)2接觸面的應(yīng)力分布云圖.由仿真結(jié)果可知，當(dāng)刮板鏈條受到38 kN卡鏈阻力時(shí)，與刮板相連的圓環(huán)最大變形量約為0.32 mm，接觸面的局部應(yīng)力最高為929.55 MPa，該值遠(yuǎn)超過(guò)了材料的強(qiáng)度極限，因此，在極限卡阻時(shí)，鏈條部分金屬組織將遭到破壞，在設(shè)計(jì)刮板運(yùn)輸機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮避免卡鏈工況的發(fā)生.由圖6（d）可知，鏈環(huán)彎曲處接觸損壞，將在彎曲接觸面形成較大面積剝落，造成進(jìn)一步的壞蝕，影響到鏈傳動(dòng)的穩(wěn)定性，使運(yùn)輸機(jī)受迫振動(dòng)，繼而損壞驅(qū)動(dòng)輪齒和馬達(dá).

4 結(jié)論

（1）基于J320綜掘機(jī)刮板運(yùn)輸機(jī)特征，采用微分方法，對(duì)煤塊物料與中部槽底板的摩擦阻力、有載側(cè)刮板所受的摩擦阻力進(jìn)行分析.得到了刮板鏈條在運(yùn)行時(shí)，不同物料堆積負(fù)載情況下的運(yùn)行阻力計(jì)算模型.該模型為研究刮板鏈沖擊載荷下的運(yùn)行特性提供了基礎(chǔ).

（2）通過(guò)曲線擬合方法，建立了溜槽內(nèi)物料堆積形態(tài)函數(shù)，并將上述刮板鏈條體系受力數(shù)學(xué)模型在Matlab中用程序表示，通過(guò)代入初值計(jì)算得出了刮板鏈的兩條鏈各自受力變化曲線.分析可見：物料堆積形態(tài)對(duì)鏈條運(yùn)行穩(wěn)定性影響較小.

（3）仿真了卡鏈時(shí)鏈環(huán)的位移、應(yīng)力情況，在受到38 kN的極限卡鏈載荷時(shí)，鏈環(huán)的最大應(yīng)力為929.55 MPa，而材料的強(qiáng)度極限為785 MPa，鏈條將失效，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意.