關(guān)于SGZ730型刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)嚙合特征的研究

張 杰

（山西寧武大運(yùn)華盛南溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

引言

刮板輸送機(jī)在煤炭開(kāi)采中使用量較大，掘進(jìn)機(jī)將煤炭截割掉下來(lái)后，需要輸送機(jī)源源不斷地將煤運(yùn)輸?shù)降V井，因此輸送機(jī)的關(guān)鍵的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置等都可能產(chǎn)生較大磨損，由此造成輸送機(jī)使用壽命的降低。圓環(huán)鏈作為牽引機(jī)構(gòu)，刮板輸送機(jī)在工作中刮板與圓環(huán)鏈之間存在較大的摩擦力，刮板推動(dòng)物料往前進(jìn)行運(yùn)輸，在工作載荷的作用下刮板輸送機(jī)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損。與此同時(shí)，物料下落可能會(huì)給設(shè)備產(chǎn)生較大的載荷沖擊，所以刮板輸送機(jī)必須要具有強(qiáng)耐磨性、高強(qiáng)度和剛度。

刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)分布位置可以分為機(jī)頭結(jié)構(gòu)、中間結(jié)構(gòu)、機(jī)尾結(jié)構(gòu)，其中機(jī)頭位置主要包括輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速箱、鏈輪以及鏈條等結(jié)構(gòu)。中部結(jié)構(gòu)主要包括刮板鏈條、刮板等，機(jī)尾則主要包括輸送機(jī)皮帶轉(zhuǎn)向輪?；阪湕l與鏈輪的嚙合模型，對(duì)其嚙合力學(xué)模型進(jìn)行分析，創(chuàng)建鏈條鏈輪的分析模型，模擬計(jì)算鏈條在嚙合過(guò)程中的受力特征，對(duì)于研究增強(qiáng)鏈條與鏈輪的可靠性具有重要意義[1]。

1 圓環(huán)鏈和鏈輪嚙合模型

由于圓環(huán)鏈節(jié)距的存在，鏈條在傳動(dòng)過(guò)程中存在上下跳動(dòng)的情況，鏈條的上下跳動(dòng)加重了鏈條與鏈輪之間的磨損，如圖1 所示為刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)剖面示意圖，鏈條與鏈輪之間嚙合較好，可傳遞較大的載荷。傳動(dòng)模型的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括鏈輪齒數(shù)N、圓環(huán)鏈的寬度尺寸b、圓環(huán)鏈的節(jié)距p。根據(jù)齒輪的幾何參數(shù)關(guān)系，可以表示出鏈輪的節(jié)圓直徑D0如下式所示：

圖1 鏈輪的齒形及基本尺寸（單位：mm）

其中鏈輪的節(jié)距角度θ=360/（2N），De=D0+2d，圓環(huán)鏈與鏈輪的其他參數(shù)在此不再一一列舉。

刮板輸送機(jī)的鏈條與鏈輪之間嚙合最復(fù)雜的區(qū)域就是鏈窩結(jié)構(gòu)，它對(duì)于鏈條的傳動(dòng)平順性具有重要影響。根據(jù)輸送機(jī)的額定功率以及實(shí)際的需求，設(shè)計(jì)選擇鏈輪與鏈輪的尺寸與結(jié)構(gòu)，在此采用的是Φ34×126的標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鏈條[2]。

2 鏈條的傳動(dòng)特點(diǎn)

鏈輪是主動(dòng)件，在刮板輸送機(jī)工作過(guò)程中，主要依靠鏈條帶帶動(dòng)不同的刮板。刮板推動(dòng)著貨物的運(yùn)輸，而刮板將貨物的重量載荷等傳遞到鏈輪之上，由此在鏈條與鏈輪之間產(chǎn)生巨大的接觸力，因此鏈條與鏈輪結(jié)構(gòu)的可靠性對(duì)提高設(shè)備的使用壽命具有重要意義。鏈條由立環(huán)和平環(huán)組成，在工作狀態(tài)鏈條的傳動(dòng)邊被稱作緊邊，另一側(cè)被稱為松邊。如下頁(yè)圖2所示，為鏈條的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖，在鏈條與鏈輪傳動(dòng)工作時(shí)，平環(huán)主要負(fù)責(zé)與鏈輪的嚙合，立環(huán)的主要作用則是連接兩個(gè)相鄰的平環(huán)，并傳遞載荷[3]。

圖2 鏈條擬合結(jié)構(gòu)示意圖

由于鏈條節(jié)距的存在，鏈條傳動(dòng)并不是連續(xù)穩(wěn)定的，鏈條在繞鏈輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生明顯的節(jié)律性的跳動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)整個(gè)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，同時(shí)產(chǎn)生較大的噪音。由于輸送機(jī)使用強(qiáng)度大，鏈條與鏈輪常發(fā)生各種類型的故障，鏈輪常見(jiàn)的失效形式包括過(guò)度磨損、齒根斷裂、壓潰等故障。鏈條主要存在的故障類型包括鏈環(huán)斷裂、過(guò)度磨損等。鏈條在產(chǎn)生磨損后，可能節(jié)距等參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，近一步導(dǎo)致鏈條與鏈輪的結(jié)構(gòu)磨損并產(chǎn)生噪音，模擬分析鏈條與鏈輪的嚙合特征，有助于了解嚙合的特點(diǎn)，提高設(shè)備的使用壽命[4]。

3 分析模型的建立

模型的分析選擇了ANSYS LS-DYNA，該分析軟件基于有限元分析理論，具有強(qiáng)大的非線性處理能力，下面對(duì)分析模型的建立做簡(jiǎn)要說(shuō)明。

1）三維模型。根據(jù)設(shè)備的工程圖紙建立刮板與鏈條的三維模型。導(dǎo)入到S-DYNA 中后，對(duì)模型的邊界條件、載荷以及網(wǎng)格劃分進(jìn)行處理，并實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的有限元分析[5]。

2）材料的設(shè)置。已知鏈輪的材料為30CrMnTi，其楊氏彈性模量為2.07×1011Pa，密度為7.86×10-6kg/mm3，泊松比為0.3，屈服極限為2.3×109Pa，剪切模量為5.6×105Pa；刮板輸送機(jī)鏈條材料為23Mn-CrNiMo，泊松比為0.25，彈性模量為210 GPa。

3）網(wǎng)格處理。鏈條與鏈輪之間存在比較復(fù)雜的嚙合關(guān)系，如果想要獲得比較理想真實(shí)的仿真結(jié)果，應(yīng)盡可能接近設(shè)備的實(shí)際受力與工作狀態(tài)。在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格處理時(shí)，先建立鏈條與鏈輪之間的接觸關(guān)系，采用SOLID64 單元?？紤]到模型的計(jì)算時(shí)間以及計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，盡量細(xì)化處理局部網(wǎng)格，以提高模型的計(jì)算精度[6]。

4）邊界條件。首先需要設(shè)置鏈條上平環(huán)與立環(huán)之間的無(wú)摩擦接觸，然后約束鏈輪中心位置的位移，僅保留其沿軸向方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)纏繞在鏈輪上的圓環(huán)鏈條的兩端上施加不同的波動(dòng)載荷，鏈條與鏈輪應(yīng)設(shè)置一個(gè)旋轉(zhuǎn)的初速度，鏈輪和鏈條的平環(huán)與立環(huán)之間均設(shè)置接觸約束，假設(shè)鏈條與鏈輪都是彈性體但不能侵入對(duì)方網(wǎng)格，最后設(shè)置好模型仿真的時(shí)間以及步長(zhǎng)。根據(jù)刮板輸送機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)中的使用情況，取圓環(huán)鏈的初始張力為2.35 kN，仿真時(shí)間設(shè)置為1.2 s，步長(zhǎng)取0.1 s；初始狀態(tài)下鏈輪的旋轉(zhuǎn)速度為0.09 rad/s。

4 仿真結(jié)果

對(duì)刮板輸送機(jī)鏈輪鏈條的傳動(dòng)模型進(jìn)行分析，分別計(jì)算分析了鏈輪與鏈條耦合模型的位移、速度、加速度的分布情況，下面分別對(duì)三種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

4.1 位移計(jì)算結(jié)果

如圖3 所示為鏈輪嚙合模型的位移云圖。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知圓環(huán)鏈條的位移值從鏈輪的最下端到其頂部的過(guò)程中，位移從最大值慢慢遞減到最小值，說(shuō)明鏈條在嚙如鏈輪時(shí)逐漸受到較大的拉力作用，鏈輪做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，初始的嚙合位置受到的拉力最大，因而產(chǎn)生的變形也就最大。計(jì)算結(jié)果中可以看出，位移最大值為0.217 m，最小位移為0.019 m，最大位移值與最小位置出現(xiàn)的位置與刮板輸送機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)相符。

圖3 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)嚙合位移（mm）云圖

4.2 速度計(jì)算結(jié)果

如圖4 所示為鏈傳動(dòng)模型的整體速度分析結(jié)果。鏈條的速度也是下端大于鏈輪上端的速度，最大速度為0.895 m/s，最大速度位置在鏈條剛嚙入鏈輪的位置，最小速度為0.007 5 m/s。鏈條的速度與其位移的計(jì)算結(jié)果分布比較相似，這也是驅(qū)動(dòng)鏈輪首先嚙入端受力最大的原因，鏈條與鏈輪之間的載荷傳動(dòng)具有一定的局限性。

圖4 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)嚙合速度（mm/s）云圖

4.3 加速度計(jì)算結(jié)果

根據(jù)對(duì)模型的分析計(jì)算，得到了圓環(huán)鏈與鏈輪在嚙合過(guò)程中整體的加速度分析結(jié)果，刮板輸送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在嚙合齒輪頂部產(chǎn)生了較大的加速度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分布來(lái)看，立環(huán)上的加速度要小于平環(huán)，因?yàn)槠江h(huán)直接與鏈輪作用，產(chǎn)生向前的驅(qū)動(dòng)力，平環(huán)的載荷較立環(huán)更加復(fù)雜。在鏈條的傳動(dòng)過(guò)程中，加速度大的區(qū)域所受的載荷也就相應(yīng)越大，在立環(huán)與平環(huán)之間的連接處以及鏈輪鏈窩等位置均出現(xiàn)了較大的應(yīng)力，見(jiàn)圖5。

圖5 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)嚙合加速度（m/s）云圖

5 結(jié)論

為了研究刮板輸送機(jī)鏈條與鏈輪之間載荷傳遞關(guān)系，對(duì)其嚙合過(guò)程有一個(gè)比較深的認(rèn)識(shí)，基于大型非線性有限元分析軟件LS-DYNA 對(duì)鏈輪耦合模型進(jìn)行仿真分析。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果可以得到結(jié)論：鏈條的立環(huán)與平環(huán)受力情況并不一致，平環(huán)直接參與到鏈條與鏈輪之間的載荷傳遞，因此具有更加復(fù)雜多變的載荷情況，鏈環(huán)彎臂和直臂過(guò)渡區(qū)域、鏈環(huán)相互接觸的區(qū)域一般會(huì)產(chǎn)生較大的作用力。鏈輪上作用力較大的位置主要集中在鏈輪鏈窩位置，因此為了防止鏈輪的鏈齒的齒根位置發(fā)生斷裂，應(yīng)在鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮該區(qū)域的優(yōu)化。該研究結(jié)論對(duì)了解鏈條鏈輪之間的嚙合特征具有重要參考作用，對(duì)減少鏈輪和鏈環(huán)的磨損，延長(zhǎng)刮板輸送機(jī)的工作壽命具有重要作用。