刮板輸送機(jī)鏈條張力監(jiān)測(cè)方案及實(shí)驗(yàn)研究

王 佳

（山西焦煤西山煤電官地礦，山西 太原 030022）

引言

刮板輸送機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其除了承擔(dān)煤炭裝運(yùn)任務(wù)之外，還為采煤機(jī)行走提供軌道，為液壓支架推溜提供支撐點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，刮板輸送機(jī)的故障占據(jù)綜采工作面所有機(jī)電設(shè)備故障的40%，而且刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的故障占據(jù)整機(jī)故障的63%。刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的高故障率主要是由于刮板鏈張力的時(shí)變特性導(dǎo)致的，而且刮板鏈的張力無(wú)法精準(zhǔn)控制[1]。因此，為了提高刮板輸送機(jī)整機(jī)的運(yùn)輸性能，減少刮板輸送機(jī)鏈輪與鏈條之間的嚙合故障，本文結(jié)合刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真結(jié)果設(shè)計(jì)一套鏈條張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 刮板輸送機(jī)鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)有限元分析

本節(jié)將重點(diǎn)對(duì)刮板輸送機(jī)鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真分析，為后續(xù)制定有效的鏈條張力監(jiān)測(cè)方案提供支撐。通過(guò)對(duì)刮板輸送機(jī)鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的仿真分析得出鏈輪、鏈條和刮板組件容易發(fā)生變形的位置，為張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)傳感器的布置提供依據(jù)。

1.1 鏈條與鏈輪接觸應(yīng)力變形仿真分析

刮板輸送機(jī)鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)主要為鏈輪與鏈條之間的嚙合傳動(dòng)。根據(jù)刮板輸送機(jī)鏈條和鏈輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)基于SolidWorks 軟件建立鏈條與鏈輪嚙合傳動(dòng)的裝配模型，并將所建立的三維模型導(dǎo)入ANSYS 軟件中，對(duì)鏈條與鏈輪材料的彈性模量、剪切模量、泊松比、，密度以及屈服強(qiáng)度等設(shè)置完畢后[2]；對(duì)裝配體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。鏈條與鏈輪材料屬性如表1 所示。

表1 鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)鏈輪與鏈條材料屬性

模擬刮板輸送機(jī)在額定工作工況下，即刮板輸送機(jī)對(duì)應(yīng)刮板鏈的牽引力為320 kN。在上述設(shè)置完畢后刮板輸送機(jī)鏈條與鏈輪的變形云圖如圖1 所示。

如圖1 所示，鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)中鏈條與鏈輪相互嚙合時(shí)，最大應(yīng)力集中位置發(fā)生在鏈輪鏈窩的位置，且具體數(shù)值為846 MPa，遠(yuǎn)小于鏈輪材料的屈服強(qiáng)度1 170 MPa。同時(shí)，鏈條與鏈輪相互接觸的最大變形量為13.35 mm。綜上，鏈條與鏈輪之間的接觸為安全、穩(wěn)定接觸。

圖1 鏈條與鏈輪變形云圖

1.2 鏈條與鏈條接觸應(yīng)力變形仿真分析

根據(jù)鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)中鏈條的規(guī)格尺寸（長(zhǎng)度為152 mm，彎曲段的半徑為24 mm）基于SolidWorks 建立鏈條的三維模型，并將所建立的三維模型導(dǎo)入ANSYS 軟件中，對(duì)鏈條與鏈輪材料的彈性模量、剪切模量、泊松比、密度以及屈服強(qiáng)度（參數(shù)如表1 所示）等設(shè)置完畢后，將三條鏈條裝配為一體，并將整個(gè)模型劃分為75 943 個(gè)節(jié)點(diǎn)[3]。同樣對(duì)ANSYS 仿真模型中的鏈條施加320 kN 的牽引力，對(duì)鏈條與鏈條的接觸變形及應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 鏈條與鏈條接觸變形仿真云圖

如下頁(yè)圖2 所示，鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)中鏈條與鏈條的最大接觸應(yīng)力位于刮板鏈從彎曲段向直線段過(guò)渡的圓弧內(nèi)側(cè)，且對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力為618 MPa，遠(yuǎn)小于鏈條材料的屈服強(qiáng)度1 600 MPa；同時(shí)，對(duì)應(yīng)的鏈條與鏈條接觸的變形量最大僅為0.726 mm。綜上，鏈條與鏈條之間的接觸為安全、穩(wěn)定接觸。

1.3 刮板鏈疲勞壽命仿真分析

“1.1”和“1.2”的仿真結(jié)果只是對(duì)鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)中鏈條與鏈輪、鏈條與鏈條在瞬間沖擊下系統(tǒng)的承受能力進(jìn)行模擬；雖然在瞬間沖擊載荷下看似安全，但是在長(zhǎng)時(shí)間的高負(fù)荷、頻繁瞬間沖擊的影響下，刮板鏈的疲勞壽命并不一定滿足要求[4]。因此，本節(jié)將對(duì)刮板鏈的疲勞壽命進(jìn)行仿真分析。

同樣采用“1.2”中的有限元仿真模型，根據(jù)《GB/T礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求為刮板鏈?zhǔn)┘?38 kN 的載荷，對(duì)刮板鏈的疲勞壽命進(jìn)行仿真分析，疲勞壽命仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 刮板鏈疲勞壽命仿真結(jié)果

如圖3 所示，刮板鏈所承受的最大等效交變應(yīng)力為480 MPa，對(duì)應(yīng)最小疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)為11 497 次。

2 刮板鏈條張力監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

本節(jié)將結(jié)合上述的有限元仿真結(jié)果設(shè)計(jì)合理、有效的刮板鏈條張力監(jiān)測(cè)方案，并對(duì)設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 刮板鏈條張力監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)上述有限元仿真結(jié)果可知，鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)中鏈條與鏈輪、鏈條與鏈條之間的接觸變形明顯可通過(guò)在鏈條表面安裝應(yīng)變傳感器獲取鏈條張力值。同時(shí)，鑒于刮板組件的強(qiáng)度足夠大且變形量可忽略不計(jì)，可在刮板組件安裝無(wú)線應(yīng)變采集模塊對(duì)應(yīng)變傳感器的數(shù)值進(jìn)行采集[5]。刮板鏈條張力監(jiān)測(cè)方案如圖4 所示。

如圖4 所示，在鏈條的對(duì)稱位置布置應(yīng)變傳感器，在刮板組件開槽布置無(wú)線應(yīng)變采集模塊，應(yīng)變傳感器與采集模塊之間通過(guò)信號(hào)線連接實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。

圖4 刮板鏈條張力監(jiān)測(cè)方案

通過(guò)對(duì)市面上的應(yīng)變傳感器進(jìn)行調(diào)研，從成本、性能以及靈敏系數(shù)等方面進(jìn)行綜合對(duì)比。最終，選用型號(hào)為SAK120-1-C11-P003M-V2M 傳感器，該傳感器可直接貼敷于鏈條直線段的中間位置。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所配置的采集模塊為DH5908 型無(wú)線動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集。

2.2 刮板鏈條張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將上述刮板鏈條張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建平臺(tái)對(duì)其可行性進(jìn)行驗(yàn)證。本次實(shí)驗(yàn)選用雙鏈驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)，所布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置如圖5 所示。

圖5 刮板鏈條監(jiān)測(cè)位置布置點(diǎn)

如圖5 所示，對(duì)雙鏈條對(duì)稱位置布置四個(gè)監(jiān)測(cè)位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于鏈條直線段的中間位置，并在為時(shí)4 s 內(nèi)鏈條的張力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。以監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 為例，所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)1 鏈條張力變化情況

如圖6 所示，刮板輸送機(jī)在啟動(dòng)階段，鏈條在初始階段會(huì)承受巨大的沖擊，即在0.25 s 時(shí)刻鏈條的張力瞬間達(dá)到最大，且為51.34 kN。而后，刮板輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行階段，由于刮板鏈條的多變效應(yīng)導(dǎo)致張力處于波動(dòng)情況，即在1.2 s 和2.1 s 時(shí)刻鏈條受到較大的沖擊，分別為32.75 kN 和36.75 kN。總的來(lái)講，所設(shè)計(jì)的鏈條張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)刮板鏈在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中各種沖擊載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的鏈條張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可行。

3 結(jié)語(yǔ)

刮板輸送機(jī)為綜采工作面重要的設(shè)備，除了承擔(dān)煤炭裝運(yùn)任務(wù)之外，還為采煤機(jī)行走提供軌道，為液壓支架推溜提供支撐點(diǎn)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中由于沖擊導(dǎo)致鏈條的張力為動(dòng)態(tài)變化情況，為精確掌握刮板鏈條張力變化情況，降低刮板鏈的故障發(fā)生率，本文設(shè)計(jì)一款刮板鏈條張力系統(tǒng)，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明：鏈條張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)刮板鏈在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中各種沖擊載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由此說(shuō)明所設(shè)計(jì)的鏈條張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可行。