刮板輸送機鏈條張力監測方案及實驗研究

王 佳

（山西焦煤西山煤電官地礦，山西 太原 030022）

引言

刮板輸送機為綜采工作面的關鍵設備，其除了承擔煤炭裝運任務之外，還為采煤機行走提供軌道，為液壓支架推溜提供支撐點。據不完全統計，刮板輸送機的故障占據綜采工作面所有機電設備故障的40%，而且刮板輸送機鏈傳動系統的故障占據整機故障的63%。刮板輸送機鏈傳動系統的高故障率主要是由于刮板鏈張力的時變特性導致的，而且刮板鏈的張力無法精準控制[1]。因此，為了提高刮板輸送機整機的運輸性能，減少刮板輸送機鏈輪與鏈條之間的嚙合故障，本文結合刮板輸送機鏈傳動系統的仿真結果設計一套鏈條張力監測系統，并對監測結果進行實驗驗證。

1 刮板輸送機鏈條傳動系統有限元分析

本節將重點對刮板輸送機鏈條傳動系統中的關鍵部件進行仿真分析，為后續制定有效的鏈條張力監測方案提供支撐。通過對刮板輸送機鏈條傳動系統關鍵部件的仿真分析得出鏈輪、鏈條和刮板組件容易發生變形的位置，為張力監測系統中監測傳感器的布置提供依據。

1.1 鏈條與鏈輪接觸應力變形仿真分析

刮板輸送機鏈條傳動系統主要為鏈輪與鏈條之間的嚙合傳動。根據刮板輸送機鏈條和鏈輪的結構參數基于SolidWorks 軟件建立鏈條與鏈輪嚙合傳動的裝配模型，并將所建立的三維模型導入ANSYS 軟件中，對鏈條與鏈輪材料的彈性模量、剪切模量、泊松比、，密度以及屈服強度等設置完畢后[2]；對裝配體模型進行網格劃分。鏈條與鏈輪材料屬性如表1 所示。

表1 鏈條傳動系統鏈輪與鏈條材料屬性

模擬刮板輸送機在額定工作工況下，即刮板輸送機對應刮板鏈的牽引力為320 kN。在上述設置完畢后刮板輸送機鏈條與鏈輪的變形云圖如圖1 所示。

如圖1 所示，鏈條傳動系統中鏈條與鏈輪相互嚙合時，最大應力集中位置發生在鏈輪鏈窩的位置，且具體數值為846 MPa，遠小于鏈輪材料的屈服強度1 170 MPa。同時，鏈條與鏈輪相互接觸的最大變形量為13.35 mm。綜上，鏈條與鏈輪之間的接觸為安全、穩定接觸。

圖1 鏈條與鏈輪變形云圖

1.2 鏈條與鏈條接觸應力變形仿真分析

根據鏈條傳動系統中鏈條的規格尺寸（長度為152 mm，彎曲段的半徑為24 mm）基于SolidWorks 建立鏈條的三維模型，并將所建立的三維模型導入ANSYS 軟件中，對鏈條與鏈輪材料的彈性模量、剪切模量、泊松比、密度以及屈服強度（參數如表1 所示）等設置完畢后，將三條鏈條裝配為一體，并將整個模型劃分為75 943 個節點[3]。同樣對ANSYS 仿真模型中的鏈條施加320 kN 的牽引力，對鏈條與鏈條的接觸變形及應力進行仿真分析，仿真結果如下頁圖2 所示。

圖2 鏈條與鏈條接觸變形仿真云圖

如下頁圖2 所示，鏈條傳動系統中鏈條與鏈條的最大接觸應力位于刮板鏈從彎曲段向直線段過渡的圓弧內側，且對應的最大應力為618 MPa，遠小于鏈條材料的屈服強度1 600 MPa；同時，對應的鏈條與鏈條接觸的變形量最大僅為0.726 mm。綜上，鏈條與鏈條之間的接觸為安全、穩定接觸。

1.3 刮板鏈疲勞壽命仿真分析

“1.1”和“1.2”的仿真結果只是對鏈條傳動系統中鏈條與鏈輪、鏈條與鏈條在瞬間沖擊下系統的承受能力進行模擬；雖然在瞬間沖擊載荷下看似安全，但是在長時間的高負荷、頻繁瞬間沖擊的影響下，刮板鏈的疲勞壽命并不一定滿足要求[4]。因此，本節將對刮板鏈的疲勞壽命進行仿真分析。

同樣采用“1.2”中的有限元仿真模型，根據《GB/T礦用高強度圓環鏈》的相關標準要求為刮板鏈施加138 kN 的載荷，對刮板鏈的疲勞壽命進行仿真分析，疲勞壽命仿真結果如圖3 所示。

圖3 刮板鏈疲勞壽命仿真結果

如圖3 所示，刮板鏈所承受的最大等效交變應力為480 MPa，對應最小疲勞壽命的循環次數為11 497 次。

2 刮板鏈條張力監測方案設計及實驗

本節將結合上述的有限元仿真結果設計合理、有效的刮板鏈條張力監測方案，并對設計的監測方案進行驗證。

2.1 刮板鏈條張力監測方案設計

通過上述有限元仿真結果可知，鏈條傳動系統中鏈條與鏈輪、鏈條與鏈條之間的接觸變形明顯可通過在鏈條表面安裝應變傳感器獲取鏈條張力值。同時，鑒于刮板組件的強度足夠大且變形量可忽略不計，可在刮板組件安裝無線應變采集模塊對應變傳感器的數值進行采集[5]。刮板鏈條張力監測方案如圖4 所示。

如圖4 所示，在鏈條的對稱位置布置應變傳感器，在刮板組件開槽布置無線應變采集模塊，應變傳感器與采集模塊之間通過信號線連接實現信號的傳輸。

圖4 刮板鏈條張力監測方案

通過對市面上的應變傳感器進行調研，從成本、性能以及靈敏系數等方面進行綜合對比。最終，選用型號為SAK120-1-C11-P003M-V2M 傳感器，該傳感器可直接貼敷于鏈條直線段的中間位置。監測系統所配置的采集模塊為DH5908 型無線動態應變采集。

2.2 刮板鏈條張力監測系統的實驗驗證

將上述刮板鏈條張力監測系統在實驗室構建平臺對其可行性進行驗證。本次實驗選用雙鏈驅動刮板輸送機，所布置監測點的位置如圖5 所示。

圖5 刮板鏈條監測位置布置點

如圖5 所示，對雙鏈條對稱位置布置四個監測位置，監測點均位于鏈條直線段的中間位置，并在為時4 s 內鏈條的張力進行監測。以監測點1 為例，所監測的數據如圖6 所示。

圖6 測點1 鏈條張力變化情況

如圖6 所示，刮板輸送機在啟動階段，鏈條在初始階段會承受巨大的沖擊，即在0.25 s 時刻鏈條的張力瞬間達到最大，且為51.34 kN。而后，刮板輸送機平穩運行階段，由于刮板鏈條的多變效應導致張力處于波動情況，即在1.2 s 和2.1 s 時刻鏈條受到較大的沖擊，分別為32.75 kN 和36.75 kN。總的來講，所設計的鏈條張力監測系統可對刮板鏈在實際運行過程中各種沖擊載荷進行監測，說明所設計的鏈條張力監測系統可行。

3 結語

刮板輸送機為綜采工作面重要的設備，除了承擔煤炭裝運任務之外，還為采煤機行走提供軌道，為液壓支架推溜提供支撐點。但是，在實際應用中由于沖擊導致鏈條的張力為動態變化情況，為精確掌握刮板鏈條張力變化情況，降低刮板鏈的故障發生率，本文設計一款刮板鏈條張力系統，并經實驗表明：鏈條張力監測系統可對刮板鏈在實際運行過程中各種沖擊載荷進行監測，由此說明所設計的鏈條張力監測系統可行。