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

    2013-10-26 03:32:02焦宏章楊兆建王學(xué)文王淑平
    關(guān)鍵詞:鏈輪刮板瞬態(tài)

    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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