基于ADAMS 的刮板輸送機(jī)多工況動(dòng)力學(xué)特性仿真分析

高永亮

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600）

引言

刮板輸送機(jī)為綜采工作面與采煤機(jī)、液壓支架相互配套使用的運(yùn)輸設(shè)備，為采煤機(jī)提供運(yùn)行軌道，為液壓支架提供推溜動(dòng)力，其承擔(dān)著承上啟下的角色。在多年技術(shù)引進(jìn)、技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上我國(guó)刮板輸送機(jī)產(chǎn)品在使用性能、壽命等方面已經(jīng)可滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。但是，鑒于綜采工作面生產(chǎn)效率的不斷提升，對(duì)其在復(fù)雜工況下整體的動(dòng)力學(xué)特性提出了更高的要求，尤其是在鏈輪與鏈條、減速器齒輪以及刮板與中部槽的傳動(dòng)等方面；同時(shí)，掌握刮板輸送機(jī)的卡鏈原因并掌握其運(yùn)行狀態(tài)也非常有必要[1]。本文將通過數(shù)值模擬方式對(duì)刮板輸送機(jī)在復(fù)雜工況下的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究。

1 刮板輸送機(jī)概述

刮板輸送機(jī)作為綜采工作面的運(yùn)輸設(shè)備之一，其不單單承擔(dān)工作面的運(yùn)輸任務(wù)，還為采煤機(jī)提供行走軌道，為液壓支架提供推溜支點(diǎn)。普通刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 普通刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)

本文所研究刮板輸送機(jī)的型號(hào)為SGB420/17，該刮板輸送機(jī)為雙邊鏈，鏈條的尺寸規(guī)格為14 mm×50 mm，中部槽的尺寸規(guī)格為1 200 mm×420 mm×150 mm。在實(shí)際生產(chǎn)中，該刮板輸送機(jī)的額定運(yùn)輸量為50 t/h，刮板鏈的平均傳動(dòng)速度為0.78 m/s。

結(jié)合刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的整個(gè)結(jié)構(gòu)，對(duì)模型作出如下簡(jiǎn)化：

1）本文所研究刮板輸送機(jī)的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)為雙鏈型式，由于鏈傳動(dòng)系統(tǒng)為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此，搭建模型時(shí)僅選擇其中一邊的鏈條和鏈輪為研究對(duì)象。

2）本文的研究重點(diǎn)為刮板輸送機(jī)的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，因此，對(duì)于與鏈傳動(dòng)系統(tǒng)影響不大的部件可簡(jiǎn)化忽略不計(jì)。

2 虛擬樣機(jī)模型的搭建

刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)、液壓支架統(tǒng)稱為綜采工作面的“三機(jī)”，其具有復(fù)雜的運(yùn)行模式和受力特性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）由于綜采工作面生產(chǎn)條件復(fù)雜、環(huán)境惡劣，除了煤層片幫等惡劣工況的影響外，刮板輸送機(jī)運(yùn)輸負(fù)載會(huì)隨著采煤機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)、截割深度的變化以及液壓支架的推移等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。

2）在刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)方面，鏈條和鏈輪之間的傳動(dòng)由于存在多變效應(yīng)導(dǎo)致鏈條的運(yùn)動(dòng)模式更加復(fù)雜，其對(duì)應(yīng)的受力情況也相對(duì)復(fù)雜。同時(shí)，鏈條會(huì)發(fā)生彈性拉長(zhǎng)加劇了鏈條的復(fù)雜性。

鑒于上述兩項(xiàng)主要原因，本節(jié)將基于ADAMS 軟件對(duì)刮板輸送機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析，重點(diǎn)對(duì)不同運(yùn)行阻力、不同運(yùn)行速度以及不同地形條件等工況下的差異性特性進(jìn)行分析。

兼顧數(shù)值模擬分析的速度和結(jié)果準(zhǔn)確性兩項(xiàng)因素，在刮板輸送機(jī)整體模型的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化后的虛擬樣機(jī)模型如下頁圖2 所示。

如圖2 所示，本次仿真分析的主要對(duì)象為刮板輸送機(jī)的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，重點(diǎn)包括有刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪、平環(huán)以及立環(huán)等[2]。基于上述虛擬樣機(jī)模型的仿真背景為復(fù)雜工況，包括鏈速分別為0.2 m/s、0.4 m/s、0.6 m/s 和0.8 m/s；鏈傳動(dòng)載荷分別為20 kN、30 kN 和40 kN；地形傾角分別為2°、4°、6°、8°以及10°。設(shè)定仿真時(shí)間為3 s。

圖2 刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)虛擬樣機(jī)模型

3 仿真結(jié)果分析

在上述仿真條件設(shè)置的基礎(chǔ)上通過對(duì)不同工況下的結(jié)果進(jìn)行分析得出對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)論，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

3.1 不同鏈速工況下刮板輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)特性分析

對(duì)鏈速分別為0.2 m/s、0.4 m/s、0.6 m/s 和0.8 m/s時(shí)對(duì)應(yīng)刮板輸送機(jī)機(jī)尾鏈輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真對(duì)比研究。設(shè)定刮板輸送機(jī)鏈速采用step 函數(shù)進(jìn)行啟動(dòng)，啟動(dòng)開始0.5 s 后鏈速達(dá)到預(yù)設(shè)的要求。仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同鏈速對(duì)應(yīng)刮板輸送機(jī)機(jī)尾鏈輪的轉(zhuǎn)速對(duì)比

如圖3 所示，從整體上分析刮板輸送機(jī)機(jī)尾鏈輪的轉(zhuǎn)速與機(jī)頭鏈輪的基本區(qū)域一致。在0～0.1 s 的時(shí)間間隔內(nèi)，由于重力因素的影響導(dǎo)致其鏈條松弛，從而導(dǎo)致機(jī)尾鏈輪出現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)的情況。當(dāng)機(jī)尾鏈輪轉(zhuǎn)速在0.5 s 后趨于穩(wěn)定后，受到鏈輪多邊效應(yīng)的影響，隨著鏈速的增加對(duì)應(yīng)機(jī)尾鏈輪轉(zhuǎn)速也出現(xiàn)了頻率更高的周期性波動(dòng)[3]。

3.2 不同載荷工況下刮板輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)特性分析

對(duì)載荷分別為20 kN、30 kN 和40 kN 時(shí)對(duì)應(yīng)刮板輸送機(jī)機(jī)頭鏈輪轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真對(duì)比研究。設(shè)定刮板輸送機(jī)的鏈速為0.8 m/s。仿真數(shù)據(jù)如表1 所示。

如表1 所示，隨著刮板輸送機(jī)載荷的增加對(duì)應(yīng)機(jī)頭鏈輪的轉(zhuǎn)矩增加，振動(dòng)幅度也相應(yīng)增加；而機(jī)頭鏈輪轉(zhuǎn)矩波動(dòng)周期與其載荷大小無關(guān)，波動(dòng)周期平均為0.130 s。

表1 不同載荷對(duì)應(yīng)刮板輸送機(jī)機(jī)頭鏈輪轉(zhuǎn)矩對(duì)比

3.3 不同地形傾角工況下刮板輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)特性分析

以機(jī)頭鏈輪的中心為軸心，分別對(duì)地形傾角分別為2°、4°、6°、8°以及10°工況下刮板輸送機(jī)鏈環(huán)間接觸力的變化情況進(jìn)行仿真分析。本次仿真設(shè)定載荷為30 kN，刮板輸送機(jī)鏈速為0.8 m/s，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同地形下刮板輸送機(jī)鏈環(huán)間接觸力變化

如圖4 所示，在2 s 的仿真時(shí)間前，刮板輸送機(jī)鏈環(huán)間的接觸力與地形的傾角大小無關(guān)，這是由于鏈環(huán)此時(shí)位于刮板輸送機(jī)的緊邊運(yùn)行；而當(dāng)鏈環(huán)運(yùn)行至刮板輸送機(jī)的松邊時(shí)，刮板輸送機(jī)鏈環(huán)間接觸力的變化處于無規(guī)律的、雜亂交替的變化趨勢(shì)，與地形傾角無直接關(guān)系[4-5]。因此，通過仿真分析可知，刮板輸送機(jī)鏈條間接觸力與其所運(yùn)行地形的傾角無關(guān)。

4 結(jié)論

刮板輸送機(jī)為綜采工作面生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)一體化工作的中間紐帶，其對(duì)綜采工作面的生產(chǎn)具有不可替代的作用。為提升刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸效率和可靠性，開展對(duì)刮板輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)特性的研究非常有必要；本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款可對(duì)刮板鏈安全運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的裝置，從而達(dá)到預(yù)防卡鏈?zhǔn)鹿拾l(fā)生的目的。具體總結(jié)如下：

1）受到鏈輪多邊效應(yīng)的影響，隨著鏈速的增加對(duì)應(yīng)機(jī)尾鏈輪轉(zhuǎn)速也出現(xiàn)了頻率更高的周期性波動(dòng)。

2）隨著刮板輸送機(jī)載荷的增加對(duì)應(yīng)機(jī)頭鏈輪的轉(zhuǎn)矩增加，振動(dòng)幅度也相應(yīng)增加；而機(jī)頭鏈輪轉(zhuǎn)矩波動(dòng)周期與其載荷大小無關(guān)，波動(dòng)周期平均為0.130 s。

3）刮板輸送機(jī)鏈條間接觸力與其所運(yùn)行地形的傾角無關(guān)。