刮板輸送機(jī)鏈傳動動力學(xué)分析

高 磊

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦綜采二隊(duì)， 山西 大同 037016）

引言

目前地下煤礦開采使用最廣泛的技術(shù)是綜采技術(shù)，即圍繞采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架三種主要設(shè)備構(gòu)成綜采工作面，由液壓支架進(jìn)行支護(hù)、采煤機(jī)進(jìn)行割煤、刮板輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)煤，三機(jī)協(xié)同完成煤炭礦石的開采[1]。刮板輸送機(jī)作為主要運(yùn)輸設(shè)備，其工作狀態(tài)關(guān)系著礦石能否順利運(yùn)出綜采工作面。刮板輸送機(jī)的運(yùn)動是依靠鏈傳動實(shí)現(xiàn)的，圓環(huán)鏈與鏈輪不斷嚙合傳動，承受了很大的載荷，是整個(gè)刮板輸送機(jī)中最容易出現(xiàn)故障的部位，因此對刮板輸送機(jī)進(jìn)行鏈傳動的動力學(xué)分析是十分必要的，有助于提高運(yùn)行效率[2]。

1 建立三維模型

刮板輸送機(jī)是一種較為復(fù)雜的設(shè)備，其工作原理是通過液力耦合器和減速器將驅(qū)動電機(jī)提供的扭矩放大，傳遞到鏈輪軸，鏈輪軸帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，由鏈條與鏈輪不斷嚙合的過程將驅(qū)動電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸功能[3]。實(shí)際傳動系統(tǒng)的組件非常多，如果完全按照實(shí)際進(jìn)行三維建模，會使軟件仿真的計(jì)算量十分巨大，受限于計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)，仿真時(shí)間可能會非常久，因此需要對傳動系統(tǒng)進(jìn)行合理簡化，以便提高仿真效率，但在簡化時(shí)不能降低仿真精度，改變仿真結(jié)果。本文在建立鏈傳動三維模型時(shí)對圓環(huán)鏈的數(shù)量進(jìn)行了減少，并且將雙鏈簡化為單鏈，可以顯著減少實(shí)體數(shù)量，提高仿真計(jì)算效率[4]。

鏈條是由很多圓環(huán)鏈?zhǔn)孜泊?lián)組成的一條環(huán)形鏈條，相鄰圓環(huán)鏈互相垂直，每一個(gè)圓環(huán)鏈的規(guī)格都一致，因此可以先建立單個(gè)圓環(huán)鏈的實(shí)體模型，再將其組裝成鏈條。圓環(huán)鏈為礦用圓環(huán)鏈，是一種標(biāo)準(zhǔn)件，符合GB/T12718-2009，根據(jù)某礦實(shí)際使用鏈條的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)中的參數(shù)進(jìn)行二維草圖和引導(dǎo)線繪制，利用掃掠功能即可繪制出單個(gè)圓環(huán)鏈的三維模型。

鏈輪也是一種標(biāo)準(zhǔn)件，符合GB/T 24503—2009，根據(jù)某礦實(shí)際使用鏈輪的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)中的參數(shù)進(jìn)行鏈輪的三維模型繪制，需要注意的是平環(huán)與鏈輪鏈窩嚙合，立環(huán)則與鏈輪槽嚙合，鏈輪模型的精確建立對二者的嚙合接觸特性的分析至關(guān)重要。

在進(jìn)行鏈條裝配時(shí)，為了降低工作量，可以將鏈條分為直線段和曲線段兩部分，直線段的鏈條不與鏈輪接觸，可以采用陣列的方式進(jìn)行裝配。曲線段的圓環(huán)鏈與鏈輪接觸，要通過定義圓環(huán)鏈與鏈輪窩的接觸進(jìn)行自由度的約束，同時(shí)要避免出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。最后將直線段與曲線段連接起來，即完成了整個(gè)傳動系統(tǒng)的三維模型的建立工作，如圖1 所示。最終裝配完成后還要再進(jìn)行一次干涉檢查，保證鏈傳動模型建立的正確性，避免仿真時(shí)軟件報(bào)錯(cuò)。

圖1 鏈傳動系統(tǒng)三維模型

2 動力學(xué)仿真分析

將建立好的三維模型導(dǎo)入到ADAMS 軟件中，并對模型進(jìn)行質(zhì)心、慣性張量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，約束其自由度，使鏈輪只能做純轉(zhuǎn)動，再添加驅(qū)動力矩及運(yùn)行阻力[5]。鏈輪的轉(zhuǎn)動速度是經(jīng)過減速器減小后的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速，某礦的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，減速器傳動比為22.4，可以計(jì)算出鏈輪的轉(zhuǎn)動速度為6.73 rad/s。鏈輪的驅(qū)動力矩是經(jīng)減速器放大后的驅(qū)動電機(jī)扭矩，可以根據(jù)電機(jī)功率和傳動效率計(jì)算出來，某礦的驅(qū)動電機(jī)額定功率為17 kW，計(jì)算得到鏈輪額定轉(zhuǎn)矩為821 N·m。對所有參數(shù)設(shè)定完成后，將仿真時(shí)間設(shè)定為4 s，步長0.01 s，進(jìn)行動力學(xué)求解[6]。

以曲線段圓環(huán)鏈中的圓環(huán)鏈為對象進(jìn)行受力分析，分析圓環(huán)鏈與驅(qū)動鏈輪間的接觸力及圓環(huán)鏈間的接觸力力。如圖2-1 所示，前1.47 s 內(nèi)，圓環(huán)鏈與鏈輪的接觸力為0，說明此時(shí)驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈還未發(fā)生接觸。從1.47 s 開始，驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈間的接觸力開始逐漸增大，此時(shí)驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈發(fā)生嚙合，進(jìn)行傳動，接觸力很快增大到8 220 N。從1.85 s 開始，驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈間的接觸力又開始逐漸減小至0，此時(shí)圓環(huán)鏈與驅(qū)動鏈輪的嚙合結(jié)束。相鄰圓環(huán)鏈的受力過程也如出一轍，驅(qū)動鏈輪不斷與圓環(huán)鏈嚙合，從而帶動整個(gè)鏈傳動系統(tǒng)。

圖2-2 為圓環(huán)鏈之間的接觸力曲線。在啟動的一瞬間，圓環(huán)鏈間的接觸力迅速增大至18 000 N，這是由于啟動時(shí)的狀態(tài)突變。隨后1.7 s 內(nèi)，圓環(huán)鏈間的接觸力在7 500 N 左右波動，此時(shí)圓環(huán)鏈位于緊邊，還未與驅(qū)動鏈輪發(fā)生接觸，在1.7 s 時(shí)由于鏈輪的多邊形效應(yīng)使得傳動載荷發(fā)生變化，圓環(huán)鏈間的接觸力出現(xiàn)一個(gè)小拐點(diǎn)。隨后圓環(huán)鏈間的接觸力逐漸下降至0，這是由于圓環(huán)鏈開始與驅(qū)動鏈輪發(fā)生嚙合，此時(shí)圓環(huán)鏈?zhǔn)艿降牧κ亲饔迷隍?qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈的接觸面上，圓環(huán)鏈之間沒有接觸力。隨后圓環(huán)鏈進(jìn)入松邊，在3.0 s 時(shí)又開始進(jìn)入緊邊。

圖2 鏈傳動系統(tǒng)拉力仿真曲線

在刮板輸送機(jī)鏈傳動系統(tǒng)運(yùn)動過程中，圓環(huán)鏈不斷重復(fù)由緊邊向驅(qū)動鏈輪方向移動，與驅(qū)動鏈輪發(fā)生嚙合，再進(jìn)入松邊，向從動鏈輪方向移動，與從動鏈輪嚙合，再進(jìn)入緊邊這一過程，在這個(gè)過程中，圓環(huán)鏈間的接觸力力大于圓環(huán)鏈與驅(qū)動鏈輪間的接觸力，圓環(huán)鏈內(nèi)測應(yīng)力增大明顯，最大應(yīng)力為170 MPa，位于圓環(huán)鏈中彎曲段與直線段的拐點(diǎn)位置，如圖3-1 所示。在鏈傳動系統(tǒng)運(yùn)行過程中，驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈不斷發(fā)生嚙合，在驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈接觸時(shí)，驅(qū)動鏈輪在鏈窩齒根處受到的應(yīng)力最大，最大值為8.53 MPa，如圖3-2 所示。

圖3 鏈傳動系統(tǒng)受力（Pa）云圖

3 結(jié)論

鏈傳動系統(tǒng)是刮板輸送機(jī)的核心系統(tǒng)，直接決定了刮板輸送機(jī)的工作效率。建立簡化的鏈傳動模型，導(dǎo)入到仿真軟件中進(jìn)行動力學(xué)分析，從整個(gè)系統(tǒng)的受力分析中可以看出，鏈傳動在啟動瞬間會產(chǎn)生較大的沖擊載荷，在圓環(huán)鏈互相接觸的位置會產(chǎn)生最大應(yīng)力；驅(qū)動鏈輪在與圓環(huán)鏈嚙合時(shí)，會在鏈窩齒根處產(chǎn)生沖擊載荷，容易使鏈窩發(fā)生變形，影響傳動效率和鏈輪壽命，因此，在進(jìn)行刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對鏈傳動系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。