刮板輸送機(jī)驅(qū)動鏈輪與鏈條接觸動力學(xué)研究

盧 燕

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司機(jī)電廠，山西 太原 030053）

引言

我國煤炭開采量不斷加大,促進(jìn)了刮板輸送機(jī)的快速發(fā)展[1]。到目前為止，已有很多學(xué)者對刮板輸送機(jī)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了大量研究。孟國營、羅慶吉、姜翎燕等針對刮板輸送機(jī)的發(fā)展趨勢，詳細(xì)闡述了我國刮板輸送機(jī)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，介紹了刮板輸送機(jī)的主要分類，重點(diǎn)指出了未來刮板輸送機(jī)技術(shù)研究的四個關(guān)鍵點(diǎn)，即加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究、使用和研制新型材料、改進(jìn)關(guān)鍵部件的加工工藝、設(shè)計研發(fā)綜采面刮板輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，并指出了未來刮板輸送機(jī)發(fā)展的趨勢[1-3]。對于我國的刮板輸送機(jī)技術(shù)，在長距離運(yùn)輸?shù)臓顩r下存在功率不足等問題，對于鏈輪傳動裝置的研究，郭忠進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬計算[4]，為本文研究提供了參考。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，通過對刮板輸送機(jī)鏈輪傳動系統(tǒng)建模以及數(shù)值模擬計算，得到中間鏈環(huán)受力最大、位移變形量大的結(jié)論，為改善鏈輪傳動提供依據(jù)。

1 礦用刮板輸送機(jī)鏈輪傳動系統(tǒng)的建模

刮板輸送機(jī)由機(jī)頭部、機(jī)尾部、溜槽、刮板鏈、鏈輪以及傳動裝置等構(gòu)成。其中，刮板鏈主要負(fù)責(zé)牽引刮板輸送機(jī)使其行走，上溜槽負(fù)責(zé)貨物的裝卸載，中部溜槽則可以調(diào)節(jié)刮板輸送機(jī)的長度。刮板鏈?zhǔn)枪伟遢斔蜋C(jī)的主要工作部件，與運(yùn)輸貨物直接接觸，在摩擦力的作用下實(shí)現(xiàn)貨物的運(yùn)輸，因此要求刮板鏈具有一定的強(qiáng)度，以保證其有一定的韌性和強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)貨物的運(yùn)輸。

采用CATIA數(shù)值模擬軟件對鏈輪傳動系統(tǒng)模型進(jìn)行建模以及有限元分析計算。CATIA數(shù)值模擬軟件是法國達(dá)索公司設(shè)計開發(fā)的軟件，該軟件支持項目前期設(shè)計、后期模擬以及計算分析，在進(jìn)行曲面建模方面，該軟件有絕對的優(yōu)勢，因為鏈輪和鏈環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，完整模擬鏈輪與鏈環(huán)結(jié)構(gòu)用CATIA軟件是最好的選擇。

在建模之前需分別了解鏈環(huán)和鏈輪的結(jié)構(gòu)。圓環(huán)鏈?zhǔn)怯扇舾蓚€鏈環(huán)相互串聯(lián)連接而成，且每個鏈環(huán)之間的夾角都是固定值，都為90°。本文模擬中選用的鏈條規(guī)格為14 mm×50 mm，采用邊雙鏈形式，運(yùn)輸長度最大50 m，運(yùn)輸量為80 t/h。鏈輪齒輪數(shù)為7，鏈輪外直徑為253 mm，節(jié)圓直徑為225 mm，立環(huán)立槽直徑為164 mm，立環(huán)立槽寬度為20 mm，齒形圓弧半徑為29 mm、長度為7 mm、厚度為25 mm，鏈窩中心距為68 mm。

在上述參數(shù)基礎(chǔ)上，對鏈輪鏈環(huán)進(jìn)行建模。因為鏈環(huán)的數(shù)量較多，逐個導(dǎo)入工作繁瑣且效率低，因此，把整個部分分為鏈輪鏈環(huán)接觸部分和不接觸部分。對于不接觸部分，以直線型排序，形成直線對稱的鏈條分裝圖，然后將其導(dǎo)入總圖，在進(jìn)行裝配工作后，進(jìn)行檢查和報錯工作，以確保模擬的準(zhǔn)確性。此方法大大提高了模擬的效率且模擬結(jié)果更準(zhǔn)確，因此得到如下頁圖1所示的鏈輪鏈環(huán)三維裝配模型圖。

圖1 鏈輪鏈環(huán)三維裝配模型圖

2 鏈輪傳動過程數(shù)值模擬及接觸分析

在刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程中，依靠齒輪傳動必然涉及到齒輪的磨損和壓潰以及鏈條和鏈環(huán)之間的接觸受力，因此對其進(jìn)行動態(tài)數(shù)值模擬研究其力學(xué)特性就顯得尤為重要。數(shù)值模擬計算過程一般有三步，即數(shù)值模型的預(yù)處理、模型的計算以及后處理三步。選用ABAQUS軟件對傳動過程進(jìn)行接觸動力學(xué)分析。

ABAQUS軟件在計算非線性運(yùn)動的過程中有明顯的優(yōu)勢，因此被大量應(yīng)用于工程的仿真與模擬計算中。在刮板輸送機(jī)運(yùn)動過程中，因為設(shè)備為非線性動態(tài)運(yùn)行，當(dāng)慣性力隨時間變化很快時就需要做動力學(xué)分析計算，而ABAQUS軟件根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用而生，在處理非線性動態(tài)問題方面優(yōu)勢明顯，因此采用ABAQUS軟件。

在使用ABAQUS軟件進(jìn)行計算的過程中，借用上文建立的三維模型，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，盡量避免因為鏈輪鏈環(huán)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的不規(guī)律性導(dǎo)致的網(wǎng)格難劃分問題。該模型比較復(fù)雜，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時計算量大，因此在有限元模型處于理想狀態(tài)下進(jìn)行劃分能減少計算機(jī)的運(yùn)算時間，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 圓環(huán)鏈與驅(qū)動鏈輪網(wǎng)格劃分結(jié)果圖

由于對模型施加載荷只能施加在節(jié)點(diǎn)和單元組件上，需要提前建立相關(guān)信息。針對已經(jīng)建立的模型，選擇1個鏈輪和10個鏈環(huán)作為分析對象。將鏈輪與平環(huán)之間的接觸體設(shè)為彈性體，但卻不存在干涉現(xiàn)象；模型中靜摩擦系數(shù)為0.4，動摩擦系數(shù)為0.3，設(shè)初始鏈條拉力為7.5 kN，速度為0.75 m/s；對鏈條的嚙合處施加載荷，假定鏈輪逆時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)初速度為63.5 r/min，仿真時間為0.1 s，分析步數(shù)為250步。在上述邊界條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行計算求解。

通過數(shù)值模擬計算，分別得到如圖3所示的圓環(huán)鏈嚙合力最大處應(yīng)力云圖和如圖4所示的鏈環(huán)在不同時刻的位移云圖。

圖4 鏈環(huán)在不同時刻的位移（mm）云圖

從圖3可以看出，靠左的平環(huán)受力較為集中，當(dāng)鏈環(huán)運(yùn)行時，受到x方向的拉應(yīng)力，在鏈環(huán)彎臂處產(chǎn)生較大的應(yīng)力，在相互接觸面上最大應(yīng)力值達(dá)到782 MPa。從這個模擬結(jié)果可以看出，主動作用的鏈環(huán)在瞬間應(yīng)力集中的情況下拉動與之接觸的鏈環(huán)，巨大的振動作用使得鏈環(huán)受力變大，長期作用下，容易造成鏈環(huán)變形斷裂等現(xiàn)象。

圖3 圓環(huán)鏈嚙合力最大處應(yīng)力（MPa）云圖

從圖4可以看出，在整個鏈環(huán)位移過程中，隨著時間的增加，位于中間的立環(huán)位移量最大，最大位移達(dá)到0.009 m，因為左平環(huán)為主動平環(huán)，帶動中間平環(huán)和右邊平環(huán)移動，因此左平環(huán)位移相較右平環(huán)位移大。究其原因是，在力的作用下，左平環(huán)對后邊平環(huán)產(chǎn)生拉力，造成右邊平環(huán)變形。由此可知，立環(huán)和平環(huán)接觸的部位受力集中，容易受損。

3 結(jié)論

通過對礦用刮板輸送機(jī)鏈輪傳動系統(tǒng)建模以及鏈輪傳動過程數(shù)值模擬及接觸分析得到，在鏈環(huán)受力運(yùn)行的過程中，中間鏈環(huán)因為應(yīng)力集中受力最大，因此位移變化也最大，在長期運(yùn)行中容易被磨損破壞，影響刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸效率，因此礦井應(yīng)該選擇合適型號的刮板輸送機(jī)。