刮板式輸送機的設計計算與仿真

陳亞梅

（常州工業職業技術學院，江蘇 常州 213164）

0 引言

刮板式輸送機是以循環運動的刮板鏈條作為牽引構件的一種連續運輸機械，可輸送流動性較好的散粒物料，廣泛應用于冶金、采礦、糧食、電廠等場合。本文設計的刮板輸送機是一套爐渣灰處理配套設備，由于爐渣灰溫度較高，為給渣灰降溫并保證設備的工作溫度，輸送機設計成全封閉式結構，采用水箱給輸送機槽底補水的方式降溫。其工作過程為由焚燒爐排下的爐渣經灰斗向下進入輸送機頭部，渣灰經水封輸送得到降溫，輸送到尾部直接輸送至下方撈渣機,最終至渣坑。該封閉式結構的頭部、尾部采用箱式機構密封，其它如連接法蘭處采用橡膠板和密封膠密封，確保整機密封，同時達到環保要求。

1 設計計算

該輸送機輸送物料為散裝渣灰，結構下方設計為封閉機構，設計輸送量為1 t/h左右，設計帶速約為0.04 m/s，輸送機由于需要對輸送物料冷卻，傳輸距離也較長，采用兩根鏈條同時安裝在同一根驅動軸上，鏈輪輪齒相位一致。

輸送機牽引力(牽引鏈條的張力)的計算，根據輸送機的工作條件和線路布置的復雜程度確定牽引鏈條的最小張力FV。經驗公式為：

式中：B為地板寬度；LC為輸送機頭尾鏈輪間的水平距離；Q為輸送量，kg/h；v為鏈條運行速度，m/s；ρ為物料的堆積密度，kg/m3；c為傾角系數，選值為0.85；φ1為物料動堆積角，φ1=0.65φ，φ為物料的靜堆積角。

該型刮板設輸送機的設計采用“逐點輪廓計算法”，將布置線路分為若干個連續的區段，給出這些區段連接點的編號，逐點計算得出輸送機全程各區段連接點處的張力，每一點的張力等于前一點的張力與這兩點區段上輸送機所有運行所需阻力之和。

傳動鏈輪上所需的牽引力：

式中：Fu為牽引力；∑Fi為運行阻力之和；Fn為傳動鏈路鏈條繞入點的張力；Fv為牽引鏈條的初張力。采用張力法進行鏈條選型計算，根據設計相關尺寸規格要求，繪制其輸送線路計算簡圖如圖1所示。

圖1 該輸送機輸送線路計算圖

計算每米長度計算質量，再利用逐點張力計算法計算圓周驅動力，計算出驅動功率，最后選擇電動機與鏈條。根據經驗公式，計算運行部分每米長度質量q0、物料的每米長度質量qM，承載分支每米長度質量q。

式中：B為底板寬度；T為相鄰物料輸送方向的平均間距；cO為底板系數。

采用逐點張力法計算驅動圓周驅動力，其中ω為阻力系數，g為重力加速度，選取以圖中1點為最小張力點，以此確定各點張力，如表1所示。

表1 牽引力逐點計算表 N

功率計算：

雖然逐點張力計算較為復雜，但計算結果較為精確，運用此法設計的輸送機在實際中得到了很好的工況效果。通過計算結果來選取牽引鏈條，查取標準GB 8350-2008選取鏈條型號。選擇鏈輪齒數與設計鏈輪結構，設計整體機構如圖2所示。

圖2 輸送機整體結構圖

在設計計算時，由于經驗數據、計算公式的不確定性，以及一些實際工況中的因素，比如含水率、渣灰物料的黏性、鏈條內部的摩擦等，使得理論公式計算有時會產生誤差較大的情況，而傳動組件的選型計算是設計的基礎，本文針對這種情況，對該輸送機在預設的最大工況下，其核心的輸送傳動部件，如頭部鏈輪鏈輪軸、鏈條鏈板機構等進行了有限元分析計算，進一步提高設計的可靠性。

2 輸送機頭部鏈輪傳動機構分析計算

輸送機頭部傳動機構如圖3所示，其鏈輪、軸、鍵均采用40Cr材質，鏈輪和軸為鍛件，鏈輪齒面為保證耐磨和壽命經高頻淬火處理，頭尾軸采用整根軸并通過調質處理，為保證傳動，鍵材質也選用40Cr，軸承采用調節量大的調心滾子軸承。

有限元分析在對整個頭部兩鏈輪施加最大極限轉矩以及對應的轉速時，如圖3、圖4所示，其整個傳動的最大應力應變均發生在鏈輪與軸接觸處，傳動方向都在右側，與實際情況相符合。頭部傳動軸的最大應力為877 MPa，變形為0.004 mm。鍵的最大應力為525.7 MPa，最大變形為0.0028 mm，均小于材料的許用應力。

圖3 頭部鏈輪傳動機構的應力應變

圖4 頭部鏈輪傳動軸和鍵的應力應變

3 輸送機頭部鏈輪與鏈條傳動分析計算

輸送機鏈條采用低鏈速板鏈，銷軸材質為20Cr，板采用40Cr，刮板鏈條采用優質合金鋼經熱處理來保證鏈條的抗拉強度，由于輸送機頭輪存在多邊形效應，需要對鏈輪鏈條進行進一步分析，在鏈輪上施加設計最大轉速，同時在鏈條兩頭施加相對應的拉動載荷。分析結果如圖5、圖6所示，鏈條的最大應力與應變均小于材料的需用應力應變。

圖5 頭部鏈輪與鏈條傳動的應力與應變

圖6 頭部鏈輪與鏈條傳動中鏈條的應力與應變

4 輸送機鏈條鏈板輸送傳動分析計算

在前述鏈輪鏈條結構分析基礎上，進一步作了鏈條鏈板在受極限載荷即堆滿渣灰并以設計的最大速度運行下的動力學分析，動力學分析結果如圖7、圖8所示，可以看出，在該極限工況下，鏈板和鏈條的強度、剛度完全符合設計要求。

圖7 鏈條鏈板輸送鏈板與鏈條的應力

圖8 鏈條鏈板輸送鏈板與鏈條的應變

5 結語

本文首先利用傳統的逐點比較法進行刮板式輸送機的鏈條鏈輪的選型計算，為進一步驗證設計可靠，建立輸送機核心傳動部件的CAD/CAE模型，采用有限元法對輸送機核心部件進行分析校核，通過這種CAD/CAE一體化的設計仿真方法降低了設計與實驗成本。