刮板輸送機驅動鏈輪與鏈條接觸動力學研究

王學敏

（潞安礦業集團慈林山煤業有限公司， 山西 長子 046600）

引言

刮板輸送機是煤礦井下運輸煤炭的重要設備，輸送機的力學性能是保證運輸的重要前提。對于刮板輸送機力學性能的研究，李曉齊、高樹勛等通過數值模擬優化了輸送機的力學參數[1-2]。吳孫陽等通過仿真手段分析了刮板輸送機運行過程中斷鏈問題，檢測系統準確判斷了鏈條故障的位置[3]，張亮霞、王淑平等通過對鏈環鏈輪的嚙合運動分析了嚙合特點下鏈條的受力特征[4-5]。本文基于已有研究，通過數值模擬解決了刮板輸送機斷裂的問題，為優化刮板輸送機力學參數提供了重要依據。

1 刮板輸送機空間數學方程建立

刮板輸送機因為其較大的強度以及承載能力被礦井廣泛使用。輸送機主要分為承載的中部槽、牽引的管板鏈和機頭等部分。鏈輪和鏈條的相互作用是輸送機運行的基礎，嚙合作用下，管板連的穩定運行帶動了輸送機的運行。齒輪坐標示意圖如圖1 所示，從圖1 中可以看出，O0為鏈輪與中心坐標的距離，單位m；O1為鏈窩與中心坐標的距離，m；O2為鏈環與中心坐標的距離，m。

在鏈輪運動的過程中，其受力非常復雜，為了更清晰地表達受力特征，利用極坐標進行表述，得到xOz 平面以下母線方程：

圖1 齒輪坐標示意圖

xOy 平面母線方程：

結合公式（1）（2），得到鏈輪參數方程：

在xOy 內的導線方程是：

結合公式（3），（4），得到：

對鏈輪參數進行求導，得到：

接觸面力學法向矢量為：

當齒輪和鏈環嚙合運行時，兩者以相同的角速度進行運轉，因此有以下公式：

式中：v1、vh為鏈環線速度，m/s；ωh為鏈輪角速度，rad/s。

2 鏈條鏈輪嚙合動力學分析

利用CATIA 數值模擬軟件模擬不同運載條件下輸送機鏈輪鏈條力學性質更加符合實際。本文分別模擬了不同工況下輸送機運行載荷情況，模擬結果如下頁表1 所示。

根據表1 可知，隨著刮板輸送機加載功率的增加，扭矩的理論計算值逐漸增大，數值模擬呈現相同的規律，證明了數值模擬結果的準確性。工況不同，齒輪的嚙合以及鏈環連接力也不同，當以額定功率加載時，齒輪的最大嚙合力為2.9×104N，鏈環連接力為1.1×104N；長期輸出功率加載時，齒輪的最大嚙合力為3.8×104N，鏈環連接力為1.2×104N；當以最大過載功率加載時，齒輪的最大嚙合力為4.1×104N，鏈環連接力為1.3×104N，模擬結果與實際情況相符。

表1 不同工況下刮板輸送機運行載荷對比

實際運行過程中，鏈環和鏈輪的相對運行呈現周期性，兩者之間的接觸力大于最大理論計算值時，結構就會失穩。

3 鏈輪傳動過程數值模擬

刮板輸送機運行過程中力學性質復雜，為了計算結果的準確性，選擇Catia 軟件進行建模，將建好的模型導入ABAQUS 軟件中進行模型網格的劃分，本次數值模擬中鏈輪選擇30CrMnTi 材質，圓環鏈采用23MnCrNiMo 材質，兩種材質的彈性模量、泊松比、密度值、屈服極限以及剪切模量的參數如表2 所示。

表2 數值模擬鏈輪、圓環鏈物理力學參數

數值模型中通過節點施加力，整個模型中共有一個鏈輪和10 個鏈環，定義鏈環和鏈輪之間的接觸材料為完全彈性體，因此在模擬過程中不會出現干涉現象，減少了計算誤差。在接觸部位的力學計算，則通過數值模擬軟件中的Surface-Surface 算法計算，該算法中定義鏈環和鏈輪中的摩擦系數為0.25，鏈條以逆時針進行運行，初始運行速度為0.75 m/s，初始拉力為7.5 kN，整個模型中上端為主動端，計算過程分為200 步進行，解決了人工計算時間長、誤差大的問題。

圖2 鏈輪鏈環模擬整體速度圖

模擬計算得到了如圖2 所示的鏈輪鏈環速度云圖，從圖2 中可以看出，嚙出段的速度值為0.32 m/s,速度值最??；速度最大值出現在嚙入段，此時速度值為0.864 m/s。詳細分析原因，在數值模擬中，模型運行初始階段，齒輪的運動是在嚙入段力的作用下開始，因此嚙入段的速度值最大，在整個鏈環的周期運動中，嚙出段受力最小，且主要通過慣性運動，因此受力最小。

為了更直觀地觀測運行過程中鏈環的受力狀況，得到圖3 所示的鏈環摩擦力云圖。從圖3 中可以看出，不同鏈環間、不同時間段，鏈環之間的摩擦力有差異。在模型運行初始階段，鏈環受力最大，因此鏈環鏈環處受力也最大，應力集中導致鏈環之間的摩擦力最大，長時間運行中，極易出現大面積的磨損現象，鏈環間的應力集中現象并非偶然，每個鏈環間都有此現象。雖然長時間的應力集中現象不利于設備的運行，容易出現損壞等問題，但是在數值模擬物理力學參數基礎上，鏈條間的應力集中現象不足以影響設備的運行，因此基本不會出現失穩現象。

圖3 不同時間段鏈環摩擦力云圖

4 結語

本文通過建立刮板輸送機空間數學方程，揭示了管板輸送機運行過程中鏈輪鏈環的運動規律，根據建立的力學方程，對傳動過程中鏈輪鏈環動力學以及傳動過程進行了數值模擬，數值模擬結果顯示，嚙入段初始初始速度最大，受力集中明顯，嚙出段受力最小，在本文的模擬參數上，受力集中現象不會影響刮板輸送機的穩定運行。