煤礦用刮板輸送機(jī)牽引鏈機(jī)械特性淺析*

張學(xué)瑞

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 太原 030006)

0 引言

煤礦刮板輸送機(jī)牽引機(jī)構(gòu)是刮板輸送機(jī)的主要組成部件，由牽引鏈、刮板、固定螺栓等零件組成，如圖1所示[1]。牽引機(jī)構(gòu)作用是在鏈輪作用下沿中部運(yùn)輸槽定向運(yùn)動(dòng)，完成中部槽煤炭的刮運(yùn)。實(shí)際使用過(guò)程中牽引鏈會(huì)發(fā)生斷鏈、掉鏈、跳鏈等故障，本文對(duì)牽引鏈機(jī)械特性進(jìn)行研究，分析牽引鏈的受力狀態(tài)，為故障判斷及牽引鏈緊鏈力精確計(jì)算提供必要參考。

1-刮板；2-牽引鏈；3-固定螺栓。

1 牽引鏈?zhǔn)芰顟B(tài)分析

刮板輸送機(jī)牽引鏈系一彈性體，圖2為該牽引鏈?zhǔn)芾鞎r(shí)的載荷-變形曲線，同樣也可視為應(yīng)力-應(yīng)變曲線。牽引鏈?zhǔn)芾休d后，就會(huì)按其固有的負(fù)荷(應(yīng)力)-變形(應(yīng)變)特性曲線產(chǎn)生相應(yīng)的變形伸長(zhǎng),載荷低于其彈性極限時(shí)產(chǎn)生彈性伸長(zhǎng)(應(yīng)變)，且隨負(fù)荷(應(yīng)力)呈線性變化，卸載后又可恢復(fù)至原狀；而當(dāng)載荷高于其彈性極限時(shí)，則發(fā)生塑性變形(應(yīng)變)伸長(zhǎng)[2]。

顯而易見(jiàn)，牽引鏈在任何情況下(包括刮板輸送機(jī)起動(dòng)、過(guò)載)都應(yīng)在該鏈條的彈性變形區(qū)段0～Fp內(nèi)運(yùn)行，其負(fù)荷不允許超過(guò)彈性極限，否則鏈條將產(chǎn)生塑性變形而導(dǎo)致跳鏈、斷鏈等事故。

Fp-鏈條拉伸彈性極限;F-鏈條試驗(yàn)負(fù)荷;δ-伸長(zhǎng)量;Fv-緊鏈力;F4-最大張力點(diǎn)張力;F3-最小張力點(diǎn)張力。

2 牽引鏈試驗(yàn)負(fù)荷確定

圖2中，F(xiàn)p為鏈條拉伸彈性極限[3],它決定于制鏈過(guò)程中(熱處理后的)預(yù)拉伸負(fù)荷，換句話說(shuō)，制鏈過(guò)程中所施加的預(yù)拉伸負(fù)荷就是鏈條制成后其所具有的拉伸彈性極限Fp。

而所謂鏈條試驗(yàn)負(fù)荷F，它只是鏈條標(biāo)準(zhǔn)中檢驗(yàn)鏈條抵抗彈性變形“能力”所規(guī)定施加的檢驗(yàn)負(fù)荷，其數(shù)值是這樣確定的：

(1)

式中：F為試驗(yàn)負(fù)荷，N；A為鏈條鏈環(huán)兩直邊棒料截面面積之和(A=2πR2)，mm2；R為鏈環(huán)棒料半徑，mm。

式(1)是根據(jù)鏈條幾何參數(shù)、材質(zhì)、熱處理等所能達(dá)到強(qiáng)度要求而制定的。

由此可知，制鏈過(guò)程中，每條鏈在熱處理后，必須經(jīng)過(guò)略高于標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)負(fù)荷F的預(yù)拉伸負(fù)荷Fp的預(yù)拉伸，使成品鏈條所具有的拉伸彈性極限Fp略高于試驗(yàn)負(fù)荷F，才能滿足日后各項(xiàng)檢驗(yàn)要求。

當(dāng)然，預(yù)拉伸負(fù)荷也不能過(guò)高，以其略高于試驗(yàn)負(fù)荷5%為宜，否則，將造成大批已成形的鏈條成為廢品。實(shí)際計(jì)算中，通常以鏈條試驗(yàn)負(fù)荷F代替其拉伸彈性極限Fp作為判定鏈條性能的依據(jù)。

3 彈性模量確定

圖2中，δ為試驗(yàn)負(fù)荷F或拉伸彈性極限Fp下的伸長(zhǎng)量(或伸長(zhǎng)率εp)，它是鏈條抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，要求鏈條有足夠的“剛度”而不能像橡皮筋那樣“隨意拉伸”，以保證牽引鏈條在滿負(fù)荷情況下順利通過(guò)驅(qū)動(dòng)鏈輪。

(2)

式中：δ1為試驗(yàn)負(fù)荷下伸長(zhǎng)率，%；l為試驗(yàn)負(fù)荷下測(cè)量的標(biāo)定長(zhǎng)度，mm；l0為初始負(fù)荷下標(biāo)定長(zhǎng)度，mm。

根據(jù)圖2所示的鏈條拉伸載荷-變形曲線，即應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的應(yīng)力σp和對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)舙，則可求得鏈條的彈性模量E0，即

(3)

例如，依據(jù)鋼材彈性模量E=20 600 MPa及牽引鏈條試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可知，質(zhì)量為C級(jí)的牽引鏈條彈性模量約為其鋼材彈性模量的1/5。

4 緊鏈力與運(yùn)行過(guò)程中各點(diǎn)張力的區(qū)別和相互關(guān)系

緊鏈力是指在刮板輸送機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，為保證鏈條負(fù)載運(yùn)行中與鏈輪良好嚙合，通過(guò)緊鏈操作對(duì)鏈條所預(yù)先施加的張力，其特點(diǎn)是鏈條各點(diǎn)張力沿輸送機(jī)圓周呈靜態(tài)分布均勻、大小相等，如圖2中Fv所示[4]。一旦刮板輸送機(jī)運(yùn)行起來(lái)，無(wú)論負(fù)荷大小，鏈條上各點(diǎn)張力即刻重新分布，原來(lái)靜止?fàn)顟B(tài)下的、呈均勻分布大小相等的狀況立刻不復(fù)存在，而變成依其所在位置不同和相對(duì)于驅(qū)動(dòng)鏈輪距離遠(yuǎn)近，沿運(yùn)行方向呈線性增長(zhǎng)的張力分布型式，如圖2中Fx所示。

圖2中，有些點(diǎn)的張力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原來(lái)的預(yù)張力Fv，如機(jī)頭鏈輪驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的F4，稱(chēng)之為最大張力點(diǎn)張力；而有些點(diǎn)的張力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原來(lái)的預(yù)張力Fv，如機(jī)尾鏈輪脫鏈點(diǎn)的F3，稱(chēng)之為最小張力點(diǎn)張力。

顯然，牽引鏈鏈條運(yùn)行中的各點(diǎn)張力運(yùn)行中發(fā)生的、隨負(fù)載和運(yùn)行方向而呈線性分布而不斷變化的張力，屬動(dòng)態(tài)張力。因此，鏈條緊鏈力與其運(yùn)行中的各點(diǎn)張力兩者的概念和存在型式是不同的。但是，兩者又有確定的內(nèi)在關(guān)系，即兩者都是對(duì)同一個(gè)具有確定彈性模量的彈性體—鏈條進(jìn)行拉伸加載，緊鏈力因其預(yù)先已存在于固定長(zhǎng)度的鏈條體內(nèi)，故其始終有使已被預(yù)拉伸的鏈條按虎克定律(縮短鏈輪中心距)收縮自身恢復(fù)原狀的趨勢(shì)(從而壓緊鏈輪)，而負(fù)荷作為外力加于已被預(yù)拉伸而始終有縮短趨勢(shì)的鏈條上，有使之按虎克定律伸長(zhǎng)的趨勢(shì)[5]。

緊鏈力設(shè)置是否合理，是用鏈條運(yùn)行后最小張力點(diǎn)張力的大小來(lái)衡量的，其判定原則是鏈條運(yùn)行后上述的最小張力點(diǎn)張力為0～500 kg,所以緊鏈力必須根據(jù)鏈條負(fù)載運(yùn)行中各點(diǎn)張力(負(fù)荷)累積造成的鏈條伸長(zhǎng)而定，換言之，緊鏈力必須根據(jù)鏈條負(fù)荷運(yùn)行中各點(diǎn)累積張力大小(即負(fù)荷狀況)而定。鏈條負(fù)載運(yùn)行中各點(diǎn)累積張力(負(fù)荷)越大，則所需的(運(yùn)行前加給鏈條的)緊鏈力也就越大。

此外,刮板輸送機(jī)鏈條負(fù)載運(yùn)行時(shí)其各點(diǎn)張力還都伴有低頻小能量脈沖負(fù)荷,故理論上鏈條負(fù)載運(yùn)行時(shí)各點(diǎn)張力并非呈一純粹的直線Fx,而是呈如圖2所示的不斷成脈沖波動(dòng)的曲線F＇x。但因脈沖量很小(約5%)且不規(guī)律,故在計(jì)算鏈條張力時(shí)均忽略不計(jì)。

還應(yīng)說(shuō)明的是，圖2所示為機(jī)頭、機(jī)尾布置在功率相同的傳動(dòng)裝置情況下，鏈條運(yùn)行中最小張力點(diǎn)位置位于機(jī)尾鏈輪脫鏈側(cè)(機(jī)尾上方)。如果刮板機(jī)只在機(jī)頭處布置有傳動(dòng)裝置，則鏈條運(yùn)行最小張力點(diǎn)位置將位于機(jī)頭鏈輪脫鏈側(cè)。

5 結(jié)論

通過(guò)分析刮板輸送機(jī)牽引鏈拉伸時(shí)受力狀態(tài)，繪制了載荷與變形曲線圖，掌握了牽引鏈拉伸狀態(tài)時(shí)牽引機(jī)構(gòu)各點(diǎn)張力分布特點(diǎn)；通過(guò)分析緊鏈力與刮板輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中各點(diǎn)張力的區(qū)別和相互關(guān)系，為刮板輸送機(jī)牽引機(jī)構(gòu)緊鏈力精確計(jì)算提供了必要理論參考。