刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)值模擬及優(yōu)化建議

管 潔

（霍州煤電集團(tuán)云廈建筑工程有限公司土建分公司，山西 霍州 031412）

引言

刮板輸送機(jī)為煤礦綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，其除了承擔(dān)煤炭運(yùn)輸任務(wù)外，還與采煤機(jī)和液壓支架形成一套有機(jī)配合的系統(tǒng)。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于刮板輸送機(jī)工作任務(wù)重且工作環(huán)境惡劣導(dǎo)致刮板鏈經(jīng)常發(fā)生事故，其故障率高達(dá)40%，并主要表現(xiàn)為卡鏈、斷鏈及掉鏈等故障。結(jié)合實(shí)踐生產(chǎn)，導(dǎo)致刮板鏈頻繁發(fā)生故障的原因包括疲勞斷裂、沖擊張力斷裂及刮板鏈的質(zhì)量等[1]。因此，本文將開展對(duì)刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究，為提升刮板輸送機(jī)的質(zhì)量和鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支撐。

1 刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)模型建立

刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)為設(shè)備動(dòng)力傳送的關(guān)鍵途徑，其屬于一種相對(duì)復(fù)雜且龐大的系統(tǒng)。在實(shí)際建模過程中，兼顧仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和簡化計(jì)算量，需要對(duì)刮板輸送機(jī)作一定的簡化。一般刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鏈輪軸組、刮板鏈條和減速器等[2]，其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為設(shè)備運(yùn)行的根本動(dòng)力；鏈輪軸組和鏈條及減速器為動(dòng)力傳動(dòng)的中間部件。本文以SGB420/17型刮板輸送機(jī)為例開展研究，該型刮板輸送機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

本小節(jié)將基于SGB420/17型刮板輸送機(jī)的參數(shù)及UG三維建模軟件重點(diǎn)完成圓環(huán)鏈和驅(qū)動(dòng)鏈輪模型的建立，并根據(jù)刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈和驅(qū)動(dòng)鏈輪之間的約束關(guān)系裝配為刮板輸送機(jī)鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)整體裝配模型，如圖1所示。

表1 SGB420/17型刮板輸送機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

圖1 刮板輸送機(jī)鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)裝配模型

基于圖1所建立的刮板輸送機(jī)鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)裝配模型，將重點(diǎn)開展鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真和數(shù)值模擬仿真研究，最后提出刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化建議。

2 刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真研究

本小節(jié)重點(diǎn)開展刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真，將圖1中基于UG所建立的三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行分析，導(dǎo)入ADAMS有限元分析軟件后對(duì)鏈輪和鏈條的材料屬性進(jìn)行設(shè)置，并根據(jù)二者之間關(guān)系添加約束，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸工況在圓環(huán)鏈條上施加7 300 N的邊界條件，模擬實(shí)際運(yùn)輸工況中的阻力。

為了保證仿真結(jié)果更加接近實(shí)際情況，不能將鏈傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)定為剛性體，也應(yīng)充分考慮傳動(dòng)系統(tǒng)的彈性變形對(duì)仿真結(jié)果的影響[3]。因此，還需對(duì)ADAMS軟件中的模型進(jìn)行柔性化處理，對(duì)鏈條傳動(dòng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ偷膭?dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真分析。

2.1 柔性圓環(huán)鏈應(yīng)力仿真結(jié)果

在正常運(yùn)行工況下對(duì)圓環(huán)鏈的受力情況進(jìn)行對(duì)比，對(duì)應(yīng)圓環(huán)鏈的應(yīng)力云圖，如圖2所示。

圖2 圓環(huán)鏈應(yīng)力（Pa）云圖

刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中，圓環(huán)鏈從緊邊位置隨著刮板鏈的移動(dòng)方向移動(dòng)，與其接觸的鏈輪從主動(dòng)輪變?yōu)閺膭?dòng)輪，圓環(huán)鏈從緊邊鏈轉(zhuǎn)移為松邊鏈，最后又與主動(dòng)鏈輪嚙合。在上述一個(gè)循環(huán)的運(yùn)行中，圓環(huán)鏈所承受的最大應(yīng)力值為170 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生時(shí)刻為圓環(huán)鏈從彎曲段過渡至直線段的位置。

2.2 柔性鏈輪應(yīng)力仿真結(jié)果

在刮板輸送機(jī)的正常運(yùn)行工況下對(duì)鏈輪的受力情況進(jìn)行對(duì)比，對(duì)應(yīng)鏈輪的應(yīng)力云圖，如圖3所示。

圖3 柔性鏈輪的應(yīng)力（Pa）云圖

由圖3可以看出，鏈傳動(dòng)系統(tǒng)在一個(gè)循環(huán)的運(yùn)行中，鏈輪最大應(yīng)力值表現(xiàn)為其與鏈條接觸的位置，且以齒根處的應(yīng)力值最大，最大應(yīng)力值為8.53 MPa。

綜合分析，刮板輸送機(jī)在系統(tǒng)啟動(dòng)的初始階段會(huì)受到較大的機(jī)械沖擊，尤其在鏈條和鏈輪的嚙合位置，雖然最大應(yīng)力值在合理范圍之內(nèi)，但是受到的機(jī)械沖擊會(huì)影響設(shè)備的使用壽命；而當(dāng)鏈條從緊邊鏈過渡到松邊鏈后會(huì)出現(xiàn)一定程度的振動(dòng)，即所謂的多變效應(yīng)，導(dǎo)致鏈條和鏈輪所承受的載荷處于動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)[4]。

3 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析

本小節(jié)將對(duì)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中圓環(huán)鏈間的接觸和圓環(huán)鏈與鏈輪的接觸進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3.1 圓環(huán)鏈間接觸

對(duì)5個(gè)圓環(huán)鏈在正常工況下的應(yīng)力和變形進(jìn)行仿真分析。根據(jù)上頁表1中的參數(shù)建立5個(gè)相接觸圓環(huán)的數(shù)值模擬模型，對(duì)應(yīng)圓環(huán)鏈的材料類型為23Mn-NiCrMo，根據(jù)材料的彈性模量、泊松比和密度對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置；結(jié)合正常工況，向最右側(cè)的5號(hào)圓環(huán)鏈?zhǔn)┘?6 197 N的邊界條件。設(shè)置完畢后，對(duì)應(yīng)5個(gè)圓環(huán)鏈的應(yīng)力和變形結(jié)果如表2所示。

3.2 圓環(huán)鏈與鏈輪接觸

在上述圓環(huán)鏈模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際參數(shù)建立鏈輪的數(shù)值模擬模型。鏈輪的材料屬性為42CrMo。得出鏈條與鏈輪接觸時(shí)，鏈條和鏈輪的應(yīng)力云圖如圖4所示。

由圖4可以看出，圓環(huán)鏈與鏈輪相接觸時(shí)，對(duì)應(yīng)圓環(huán)鏈的最大應(yīng)力值為966 MPa，主要表現(xiàn)在緊邊鏈由彎曲段向直線段過渡的位置；對(duì)應(yīng)鏈輪的最大應(yīng)力值為1 450 MPa，主要表現(xiàn)在鏈輪鏈窩的側(cè)面和底面。導(dǎo)致上述應(yīng)力集中的主要原因?yàn)闆_擊載荷[5]。

表2 圓環(huán)鏈接觸數(shù)值模擬結(jié)果

圖4 圓環(huán)鏈與鏈輪接觸應(yīng)力（MPa）云圖

結(jié)合上述對(duì)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和數(shù)值模擬結(jié)果分析的接觸上，導(dǎo)致鏈傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)最大應(yīng)力和最大變形的主要原因是載荷沖擊。因此，為了有效減緩載荷沖擊所帶來的應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要對(duì)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)作出如下優(yōu)化：

1）將刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中的圓環(huán)鏈進(jìn)行匹配性配對(duì)設(shè)計(jì)，避免相鄰圓環(huán)鏈尺寸存在較大誤差，導(dǎo)致尺寸較小圓環(huán)鏈負(fù)載增加的問題。

2）定期對(duì)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)圓環(huán)鏈條的尺寸進(jìn)行檢測，當(dāng)在緊邊條件下對(duì)不同區(qū)域圓環(huán)鏈的尺寸進(jìn)行檢測并發(fā)現(xiàn)伸長量大于2 cm時(shí)，說明鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中圓環(huán)鏈和鏈輪的配合出現(xiàn)問題，應(yīng)及時(shí)維修并更換。

4 結(jié)語

刮板輸送機(jī)為煤礦生產(chǎn)必不可少的運(yùn)輸設(shè)備，其除了承擔(dān)煤炭的裝運(yùn)任務(wù)外，還為采煤機(jī)提供行走軌道，為液壓支架提供推溜支撐點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于刮板輸送機(jī)工作任務(wù)量大且環(huán)境惡劣，鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的故障率高。因此，本文開展了關(guān)于刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真和數(shù)值模擬研究；同時(shí)，應(yīng)通過圓環(huán)鏈的匹配性配對(duì)設(shè)計(jì)和定期檢測圓環(huán)鏈尺寸等方式減小由于載荷突變而導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象。