刮板輸送機鏈傳動數值模擬研究分析

史小軍

（山西省陽泉市燕龕煤炭有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

鏈傳動裝置是刮板輸送機重要的組成部分，其工作性能直接關系到刮板輸送機的工作效率。鏈傳動裝置在運轉過程通過圓鏈環間的接觸實現。在實際運行過程中，由于圓環鏈和鏈輪間的應力變化使得連接面發生疲勞損壞，所以對圓鏈環間的接觸及圓鏈環與圓環鏈是十分有必要的，此前國內眾多學者對此進行過一定的研究。原長鎖[1]等利用anasys數值模擬軟件對鏈輪與圓環受力進行研究，基于無線傳感技術給出了鏈輪故障檢測裝置，并驗證了故障檢測裝置的可行性，為解決鏈條故障提供參考。孫建華[2]為了解決復雜工況下輸送機鏈輪磨損的問題，對刮板輸送機的鏈輪失效形式進行分析，通過對應力集中部位進行優化，有效提升了刮板輸送機的使用壽命及工作效率。蘇華陽[3]為了提升刮板輸送機鏈輪及圓環鏈的使用壽命，采用正交優化法對不同參數下鏈輪與圓環輪的接觸狀態進行分析，根據對接觸應力進行研究，給出了最優的圓環輪與鏈輪的參數組合。馮濤[4]對圓環輪及鏈輪進行建模，利用數值模擬軟件對鏈傳動進行仿真研究，給出了正常運轉下的加速曲線及速度曲線。本文通過ABAQUS數值模擬軟件對刮板輸送機的鏈傳動系統進行模擬分析，為鏈傳動系統的優化提供一定的借鑒。

1 圓環鏈接觸模擬分析

刮板輸送機在啟動瞬間會產生極大的沖擊載荷，使得圓環鏈接觸位置發生磨損，嚴重時將會影響整個鏈傳動系統的性能，所以為了對其進行研究，建立圓環鏈與圓環鏈的接觸模型，考慮到的計算的問題，本文對圓環鏈間的接觸進行簡化，選用Φ14×50圓環鏈為研究對象，在進行建模時假設鏈環截面尺寸相同，忽略鏈輪間接觸位置由于雜質等原因造成的干擾，建立5個圓環鏈，5個圓環鏈中2、4為平環，1、3、5為立環。圓環鏈材料選定為23MnNiCrMo，材料的密度設定為7 860 kg/m3，泊松比設定為0.25，材料的彈性模量設定為7 860 kg/m3。圓環鏈互相首尾相連，對圓環鏈進行網格劃分，在進行網格劃分時需要考慮模擬的精度及計算機的運行內存，同時由于在圓環鏈相連接的位置受力作用明顯，所以對圓環鏈的接觸位置網格進行加密，直線段網格劃分可適當稀疏，網格劃分結果如圖1所示。

圖1 網格劃分示意圖

完成模型的初始設置后對模型進行計算，圓環鏈瞬間應力位移云圖如2所示。

圖2 圓環鏈瞬間應力和位移云圖

從圓環鏈應力云圖可以看出，模型的最大應力值出現在圓環鏈接觸的位置，最大值為808.3 MPa，同時根據應力圖可以看出，圓環鏈直線過渡到曲線的位置出現應力的改變，且應力的改變主要集中在圓環鏈的內側，在圓環鏈的外側應力變化幅度不大。模型的右端圓環鏈受到的應力小于左側圓環鏈，這是由于右側段為應力加載端，在受到應力加載后，左側端受到沖擊，沖擊拉力造成應力值較大。觀察圓環鏈位移云圖可以看出，圓環鏈的最大變形位置出現在從左數第4、5圓鏈環的接觸位置，最大的位移量為1.473 mm，右端圓環鏈受到應力加載后，發生向右的運動，在拉應力傳遞過程中，圓環鏈間的位移變形量逐步減小，圓環鏈從右到左的變形量依次為1.473 mm、1.2 mm、0.832 mm和0.114 mm。所以在進行圓環鏈時可將率先受力的位置進行材料補強，以此來減小圓環鏈間的磨損。

2 圓環鏈與鏈輪接觸模擬分析

對圓環鏈與鏈輪的接觸進行分析，對模型的材料參數進行設定，圓環鏈的材料屬性已經給出，鏈輪的材料選定為42CrMo，材料的彈性模量及材料泊松比分別為210 GPa和0.3，材料的密度為7 800 kg/m3。網格劃分時需要對鏈窩位置進行網格細化。對模型進行邊界設置，在啟動瞬間，轉矩帶動鏈輪，鏈輪帶動圓環鏈，所以對鏈輪添加轉動約束，并給定逆時針方向的扭矩，對模型進行計算。驅鏈輪與圓環鏈接觸位移云圖如3所示。

圖3 驅鏈輪與圓環鏈接觸的位移（mm）云圖

觀察圖3位移變化云圖可以看出，鏈輪在扭矩的作用下做逆時針的旋轉，鏈輪與圓環鏈接觸的位置應變較大，位移的最大值為1.703 mm，圓環鏈的位移量從上到下依次減小，從頂端至底板的位移量分別為 0.549 mm、0.509 mm、0.493 mm。

為了更好地對圓環鏈及鏈輪受力進行分析，將圓環鏈及鏈輪進行分離如圖4所示。

根據圖4可以看出，圓鏈輪的應力呈現從上之下減小的趨勢，這是由于在圓環鏈與鏈輪在上端接觸時受到更大的沖擊載荷，使得圓鏈輪上端的應力呈現更加明顯且圓環鏈的曲線端與直線端的應力較大，最大的等效應力為966 MPa。這也可以說明在刮板輸送機啟動的瞬間，圓環鏈與鏈輪接觸位置易發生破壞。觀察鏈輪的應力分布可以看出，鏈輪的應力主要分布在嚙入端與圓環鏈的平行端接觸位置，鏈輪所受應力的大小隨著逆時針依次減小，刮板輸送機在啟動瞬間使得圓環鏈與鏈輪發生摩擦，在鏈窩處出現應力集中，隨著鏈輪旋轉，圓環鏈從鏈窩平面向鏈輪的圓弧位置移動（爬齒）。在鏈窩的底面及頂面位置應力較大，在鏈窩接近立環槽的區域出現等效應力的最大值為1 450 MPa，所以在機械啟動瞬間，此位置易發生破壞，所以應當適當地加強承載區的強度。

根據以上模擬可以看出，圓環鏈在瞬間啟動時，圓環鏈的曲線及直線端會存在明顯的應力變化，且在圓環鏈的接觸位置出現最大值。鏈輪鏈窩的側面及底面出現應力變化，且在鏈窩的過渡面接近立環槽出現最大值。所以對刮板輸送機鏈傳動系統進行優化，首先對圓環鏈進行配對，由于加工的精度使得圓環鏈受力不均，降低圓環鏈的使用壽命，所以需要對圓環鏈進行嚴格配對；鏈窩優化，通過分析發現鏈窩位置應力集中，所以對鏈窩進行加強，提升鏈窩的強度，同時調整圓環鏈與鏈窩嚙合處的間隙，以此達到傳動系統的性能。

圖4 圓環鏈及鏈輪應力（MPa）云圖

3 結論

1）通過對5節圓環輪進行模擬分析，發現右端圓環鏈受到應力加載后，發生向右的運動，在拉應力傳遞過程中，圓環鏈間的位移變形量逐步減小，圓環鏈從右到左的變形量依次為1.473 mm、1.2 mm、0.832 mm和0.114 mm。

2）通過分析發現圓鏈輪的應力呈現從上到下減小的趨勢，圓環鏈與鏈輪在上端接觸時受到沖擊載荷最大，最大的等效應力為966 MPa，在鏈窩的底面及頂面位置應力較大，在鏈窩接近立環槽的區域出現等效應力的最大值為1 450 MPa。

3）鏈輪與圓環鏈接觸的端位移變形較大，位移的最大值為1.703 mm，圓環鏈的位移量從上到下依次減小，從頂端至底板的位移量分別為0.549 mm、0.509 mm、0.493 mm。