刮板輸送機(jī)鏈傳動系統(tǒng)的動力學(xué)特性分析

張 璞

（陽煤集團(tuán)一礦機(jī)電工區(qū)， 山西 陽泉 045008）

引言

刮板輸送機(jī)作為煤炭開采時(shí)所不可缺少的機(jī)械設(shè)備，其在確保煤炭生產(chǎn)企業(yè)正常、高效生產(chǎn)方面扮演著十分重要的角色。刮板輸送機(jī)是依靠鏈傳動系統(tǒng)進(jìn)行工作的，因鏈傳動系統(tǒng)是一個(gè)半柔性體結(jié)構(gòu)，在工作的過程中，由于外載荷的作用，會產(chǎn)生較大的振動、沖擊，這樣會嚴(yán)重影響在傳動過程中的穩(wěn)定性，同時(shí)也加劇了鏈條的磨損，極大地降低了刮板輸送機(jī)的使用壽命和工作可靠性[1]，因此如何優(yōu)化刮板輸送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其在工作過程中的動力學(xué)特性，成為煤炭生產(chǎn)企業(yè)迫切需要解決的問題。

1 鏈傳動的多邊形效應(yīng)

刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過程中之所以會產(chǎn)生振動、沖擊主要是由于鏈條傳動過程中的多邊形效應(yīng)引起的。多邊形效應(yīng)是指鏈條在剛進(jìn)入主動鏈輪時(shí)，鏈輪轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，水平方向鏈速就從小到大、再從大到小變化一次，同時(shí)伴隨著鏈條豎直方向上下運(yùn)動一次，鏈條忽上忽下顫抖且由于接觸部分是多邊形的，從而引起鏈傳動的運(yùn)動不均勻性現(xiàn)象。因此為了研究刮板輸送機(jī)鏈傳動系統(tǒng)在工作過程中的動態(tài)特性，首先對鏈傳動的多邊形效應(yīng)進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 鏈傳動速度分析示意圖

由圖1所示，當(dāng)鏈條在銷鏈上運(yùn)動時(shí)，銷鏈帶動鏈條沿順時(shí)針方向進(jìn)行運(yùn)動，此時(shí)鏈輪上的其他銷鏈?zhǔn)遣粫苯訁⑴c到牽引鏈條運(yùn)動中去的，此時(shí)A處的銷鏈和主動鏈輪運(yùn)轉(zhuǎn)的線速度V=Rω，方向垂直于OA，設(shè)此時(shí)與鏈條在垂直運(yùn)動方向上的夾角為β，則可由此計(jì)算出A位置的銷鏈實(shí)際牽引鏈條運(yùn)行的線速度為[2]：

在實(shí)際工作的過程中夾角β是在不斷地變化著，因此即便是鏈輪以恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，鏈條的速度也是處于不斷變化的過程中的，且經(jīng)分析可知，當(dāng)角度時(shí)鏈條的運(yùn)行速度最低，當(dāng)角度β=0時(shí)鏈條的速度最高，在鏈輪帶動鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中鏈速是進(jìn)行周期性變化的，其變化周期的大小主要取決于鏈輪的運(yùn)行速度和鏈輪上鏈節(jié)的數(shù)量Z，鏈輪的運(yùn)行速度越高，鏈輪的齒數(shù)越少，鏈條在運(yùn)行過程中的速度變化范圍就越大。

當(dāng)牽引鏈條的速度發(fā)生變化的時(shí)候，位置A處的鏈條上下運(yùn)動，其鏈速也是不斷地呈周期性的變化，可表示為：

可見，由于運(yùn)行速度的不斷變化最終導(dǎo)致了鏈傳動過程中的多邊形效應(yīng)，從而導(dǎo)致了鏈傳動過程中的不穩(wěn)定性。

因此根據(jù)分析結(jié)果，在設(shè)計(jì)鏈傳動的鏈輪的時(shí)候盡量將鏈輪設(shè)計(jì)成接近于圓形，增加鏈輪的齒數(shù)，可有效減少鏈傳動過程中的多邊形效應(yīng)，降低在傳動過程中的振動和沖擊[3]。

鏈傳動在運(yùn)行的過程中會產(chǎn)生縱向振動和橫向振動，在不考慮磨損的前提下，鏈傳動的多邊形效應(yīng)對鏈傳動的縱向振動影響要遠(yuǎn)大于對橫向振動的影響，因此我們需要對鏈傳動過程中縱向振動的情況進(jìn)行分析，將鏈傳動系統(tǒng)假設(shè)為一個(gè)彈簧振子系統(tǒng)，假設(shè)鏈條的質(zhì)量均集中在鏈條銷接點(diǎn)處，如下頁圖2所示。

圖2 鏈條縱向振動的數(shù)學(xué)模型

則鏈條縱向振動的矩陣微分方程可表示為：

式中：[M]為鏈傳統(tǒng)系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；[K]為鏈傳統(tǒng)系統(tǒng)的剛度矩陣；x為縱向位置的偏移量。

2 刮板輸送機(jī)鏈傳動的仿真分析

利用Creo三維建模軟件建立刮板輸送機(jī)系統(tǒng)鏈傳動的三維模型，并將其導(dǎo)入到ADAMS/View中進(jìn)行仿真分析[4]，其三維模型如圖3所示。

圖3 鏈條傳動的三維模型

為了對刮板輸送機(jī)在不同運(yùn)行速度下的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，分別設(shè)置鏈輪的運(yùn)行速度為110 rad/s、90 rad/s、70 rad/s為分析對象，仿真分析結(jié)果如圖4—圖6所示。

圖4 角速度為110 rad/s情況下鏈速變化曲線

圖5 角速度為90 rad/s情況下鏈速變化曲線

圖6 角速度為70 rad/s情況下鏈速變化曲線

由分析結(jié)果可以看出，當(dāng)鏈輪的運(yùn)行角速度為110 rad/s時(shí)，鏈傳動系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的波動差為0.015 m/s；當(dāng)鏈輪的運(yùn)行角速度為90 rad/s時(shí)，鏈傳動系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的波動差為0.014 m/s，當(dāng)鏈輪的運(yùn)行角速度為70 rad/s時(shí)，鏈傳動系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的波動差為0.012 m/s，因此，適當(dāng)降低刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速度可以顯著提高鏈傳動系統(tǒng)在工作時(shí)的穩(wěn)定性，降低磨損消耗，提高其使用壽命。

刮板輸送機(jī)的鏈傳動系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中鏈環(huán)與鏈輪之間的接觸力會隨著其運(yùn)行速度的變化而變化，接觸力越大，越容易導(dǎo)致鏈環(huán)的磨損，其仿真分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 鏈輪與鏈環(huán)接觸位置接觸力變化曲線

根據(jù)分析結(jié)果可知，在齒輪與鏈環(huán)在嚙合過程中，在約1.7 s時(shí)開始嚙合，在鏈輪帶動鏈環(huán)過程中接觸力隨著嚙合的深入而迅速增大，在約2.3 s時(shí)達(dá)到接觸力的最大值，然后隨著鏈輪和鏈環(huán)的脫離，接觸力會逐漸地降低，嚙合時(shí)間越長其力的分散越徹底，因此適當(dāng)降低刮板輸送機(jī)的傳送速度有助于減少嚙合時(shí)的磨損，延長鏈傳動系統(tǒng)的使用壽命。

3 結(jié)論

通過對刮板輸送機(jī)鏈傳動系統(tǒng)的研究，在總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究分析影響刮板輸送機(jī)鏈傳動系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的因素和實(shí)際需求，采用ADAMS仿真分析軟件對刮板輸送機(jī)在不同運(yùn)行速度情況下的動力學(xué)情況進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果表明，鏈傳動系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的振動、沖擊情況會隨著運(yùn)行速度的降低而減小，因此適當(dāng)降低刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速度可以顯著提高鏈傳動系統(tǒng)在工作時(shí)的穩(wěn)定性，降低磨損消耗，提高其使用壽命，對確保刮板輸送機(jī)鏈傳動系統(tǒng)的正常工作具有十分重要的意義。