刮板輸送機驅動鏈輪與鏈條接觸動力學研究

盧 燕

（西山煤電（集團）有限責任公司機電廠，山西 太原 030053）

引言

我國煤炭開采量不斷加大,促進了刮板輸送機的快速發展[1]。到目前為止，已有很多學者對刮板輸送機的技術發展進行了大量研究。孟國營、羅慶吉、姜翎燕等針對刮板輸送機的發展趨勢，詳細闡述了我國刮板輸送機的發展歷史和現狀，介紹了刮板輸送機的主要分類，重點指出了未來刮板輸送機技術研究的四個關鍵點，即加強基礎理論研究、使用和研制新型材料、改進關鍵部件的加工工藝、設計研發綜采面刮板輸送機狀態監測及故障診斷系統，并指出了未來刮板輸送機發展的趨勢[1-3]。對于我國的刮板輸送機技術，在長距離運輸的狀況下存在功率不足等問題，對于鏈輪傳動裝置的研究，郭忠進行了大量的數值模擬計算[4]，為本文研究提供了參考。本文在已有研究的基礎上，通過對刮板輸送機鏈輪傳動系統建模以及數值模擬計算，得到中間鏈環受力最大、位移變形量大的結論，為改善鏈輪傳動提供依據。

1 礦用刮板輸送機鏈輪傳動系統的建模

刮板輸送機由機頭部、機尾部、溜槽、刮板鏈、鏈輪以及傳動裝置等構成。其中，刮板鏈主要負責牽引刮板輸送機使其行走，上溜槽負責貨物的裝卸載，中部溜槽則可以調節刮板輸送機的長度。刮板鏈是刮板輸送機的主要工作部件，與運輸貨物直接接觸，在摩擦力的作用下實現貨物的運輸，因此要求刮板鏈具有一定的強度，以保證其有一定的韌性和強度實現貨物的運輸。

采用CATIA數值模擬軟件對鏈輪傳動系統模型進行建模以及有限元分析計算。CATIA數值模擬軟件是法國達索公司設計開發的軟件，該軟件支持項目前期設計、后期模擬以及計算分析，在進行曲面建模方面，該軟件有絕對的優勢，因為鏈輪和鏈環結構復雜，完整模擬鏈輪與鏈環結構用CATIA軟件是最好的選擇。

在建模之前需分別了解鏈環和鏈輪的結構。圓環鏈是由若干個鏈環相互串聯連接而成，且每個鏈環之間的夾角都是固定值，都為90°。本文模擬中選用的鏈條規格為14 mm×50 mm，采用邊雙鏈形式，運輸長度最大50 m，運輸量為80 t/h。鏈輪齒輪數為7，鏈輪外直徑為253 mm，節圓直徑為225 mm，立環立槽直徑為164 mm，立環立槽寬度為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。

在上述參數基礎上，對鏈輪鏈環進行建模。因為鏈環的數量較多，逐個導入工作繁瑣且效率低，因此，把整個部分分為鏈輪鏈環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，然后將其導入總圖，在進行裝配工作后，進行檢查和報錯工作，以確保模擬的準確性。此方法大大提高了模擬的效率且模擬結果更準確，因此得到如下頁圖1所示的鏈輪鏈環三維裝配模型圖。

圖1 鏈輪鏈環三維裝配模型圖

2 鏈輪傳動過程數值模擬及接觸分析

在刮板輸送機運行過程中，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之間的接觸受力，因此對其進行動態數值模擬研究其力學特性就顯得尤為重要。數值模擬計算過程一般有三步，即數值模型的預處理、模型的計算以及后處理三步。選用ABAQUS軟件對傳動過程進行接觸動力學分析。

ABAQUS軟件在計算非線性運動的過程中有明顯的優勢，因此被大量應用于工程的仿真與模擬計算中。在刮板輸送機運動過程中，因為設備為非線性動態運行，當慣性力隨時間變化很快時就需要做動力學分析計算，而ABAQUS軟件根據實際工程應用而生，在處理非線性動態問題方面優勢明顯，因此采用ABAQUS軟件。

在使用ABAQUS軟件進行計算的過程中，借用上文建立的三維模型，對模型進行網格劃分，盡量避免因為鏈輪鏈環復雜結構的不規律性導致的網格難劃分問題。該模型比較復雜，在進行網格劃分時計算量大，因此在有限元模型處于理想狀態下進行劃分能減少計算機的運算時間，網格劃分結果如圖2所示。

圖2 圓環鏈與驅動鏈輪網格劃分結果圖

由于對模型施加載荷只能施加在節點和單元組件上，需要提前建立相關信息。針對已經建立的模型，選擇1個鏈輪和10個鏈環作為分析對象。將鏈輪與平環之間的接觸體設為彈性體，但卻不存在干涉現象；模型中靜摩擦系數為0.4，動摩擦系數為0.3，設初始鏈條拉力為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，旋轉初速度為63.5 r/min，仿真時間為0.1 s，分析步數為250步。在上述邊界條件的基礎上進行計算求解。

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

圖4 鏈環在不同時刻的位移（mm）云圖

從圖3可以看出，靠左的平環受力較為集中，當鏈環運行時，受到x方向的拉應力，在鏈環彎臂處產生較大的應力，在相互接觸面上最大應力值達到782 MPa。從這個模擬結果可以看出，主動作用的鏈環在瞬間應力集中的情況下拉動與之接觸的鏈環，巨大的振動作用使得鏈環受力變大，長期作用下，容易造成鏈環變形斷裂等現象。

圖3 圓環鏈嚙合力最大處應力（MPa）云圖

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

3 結論

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