刮板輸送機鏈輪瞬態動力學響應分析

焦宏章，楊兆建，王學文，王淑平

（1.太原理工大學，機械工程學院，太原 030024；2.中國煤炭科工集團 太原研究院，太原 030006)

鏈輪是刮板輸送機傳動系統核心構件。目前所使用的鏈輪承載能力差、使用壽命較短，與整機其他零部件的設計水平嚴重不匹配，已成為制約刮板輸送機向大功率、長距離輸送發展的重要瓶頸［1］。通過采用新材料、改進加工工藝，一定程度上改善了鏈輪的使用性能［2-3］。但是，刮板輸送機使用環境惡劣、載荷復雜多變，實際運行過程中，中部槽過度彎曲、意外載荷、異物卡死、電機不同步等不利因素時有發生。為了能夠進一步改善鏈輪的設計水平，我們有必要對鏈輪-圓環鏈的接觸機理進行深入探究。在此基礎上，加強和改進鏈輪的設計，以滿足刮板輸送機日益重型化的發展需求［4-7］。

本文中，筆者旨在求出刮板輸送機平穩運行過程中，鏈輪與圓環鏈的瞬態接觸響應，為鏈輪的設計及分析提供參考。分析過程中，筆者應用瞬態動力學分析軟件MSC.DYTRAN對此進行分析。

1 系統建模［8-9］

1.1 簡化模型

本文主要分析刮板輸送機平穩運行過程中，某平環與鏈輪的嚙合過程及其鏈輪-圓環鏈之間的相互作用情況。為了提高運算效率，選取兩個輪齒作為研究對象，并且忽略鏈輪輪齒下部應力、應變較小且對分析結果影響甚微的局部結構，建立圖1所示的瞬態動力學分析模型。

圖1 鏈輪-圓環鏈瞬態動力學分析模型

有限元網格全部采用六面體、8節點單元，建立的有限元模型包含57912個單元，68298個節點。

1.2 材料屬性

鏈輪的材料為30CrMnSiNi，圓環鏈的材料為23CrNiMnMo54。進行瞬態動力學分析需要提供的參數主要有：彈性模量E＝210GPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7.8×10-6kg／mm3。

1.3 邊界條件

按圖1所示分析模型，圓環鏈拉力載荷均勻施加于兩側半環斷面上，圓環鏈與鏈輪、圓環鏈間添加接觸約束；對鏈齒底面所有節點施加繞鏈輪中心O的轉動角速度ω。

1)圓環鏈拉力。應用動力學分析軟件MSC.ADAMS，通過對刮板輸送機鏈輪傳動系統進行剛體動力學分析，可測得圖2圓環鏈的拉力曲線。為了防止載荷突變造成分析失真，拉力載荷曲線的前0.16s為準備階段，使載荷從0線性增加至測量值。

圖2 平穩運行過程中刮板鏈拉力載荷

2)鏈輪轉速。平穩運行過程中，鏈輪的驅動速度為3.56rad／s。需要注意的是，為了配合0～0.16 s的拉力載荷準備階段，設這段時間內鏈輪的驅動速度為0。

2 結果分析

為了監測鏈窩不同區域的應變、接觸力等響應情況，在鏈窩敏感地帶標記圖3所示關鍵監測點。

圖3 鏈輪關鍵監測點分布

2.1 典型姿態下鏈輪的應變響應

鏈輪的易損區域在鏈輪鏈窩部分，為了便于分析、對比，只提取鏈輪鏈窩區域的應變云圖。圖4顯示了α＝22.5°時鏈輪的應變響應，從中可以看出鏈輪在鏈窩表面承載不均，極小區域承擔了大部分載荷。應變（應力)較大區域，只占整個鏈窩曲面的極小部分，且位于鏈窩邊緣靠近立環開檔，使用過程中極易發生壓潰現象。

圖4 鏈輪鏈窩應變響應

通過提取不同姿態時鏈輪的應變云圖，可得表1所示鏈輪在7個典型姿態時的最大應變。從中可以看出：α＝22.5°時，鏈窩最大應變為1.92×10-2，是選定7個典型姿態中的最大值；α＝90°時，鏈窩最大應變為1.05×10-2，是選定7個典型姿態中的最小值。此外還可得出，α在0°～90°內鏈輪的最大應變大于90°～180°內的最大應變，即鏈輪在0°～90°內的受力條件比90°～180°更加惡劣。

2.2 鏈輪監測點應變響應

圖5顯示了平穩運行工況下鏈輪鏈窩監測點應變響應曲線，從圖中可以得出以下結論。

1)從B／b點應變響應曲線可以看出，這兩點的應變從0.9s以后突然增大；而D／d點的應變有一定程度的減小，說明鏈輪-圓環鏈接觸過稱中出現了明顯的滑動。實際使用情況表明，兩者之間的滑動會對鏈輪產生磨損，加劇鏈輪失效。

表1 鏈輪鏈窩典型姿態最大應變

2)從F／f點應變響應曲線可以看出，鏈輪-圓環鏈傳動過程中，這兩點的應變與B／b點相比相差10倍左右，說明圓環鏈并沒有與鏈窩底平面完全接觸，因此靠近鏈窩底平面的區域應變很小。

2.3 鏈輪監測點法向接觸力響應

圖6顯示了平穩運行工況下鏈輪鏈窩監測點法向接觸力響應曲線，從圖中可以得出以下結論。

1)從B／b、D／d點法向接觸力響應曲線，能更加直觀地看出鏈輪-圓環鏈接觸過程中出現了明顯的滑動現象；從F／f點能看出圓環鏈沒有與鏈窩底平面完全接觸。

圖5 鏈輪鏈窩監測點應變響應

圖6 鏈輪鏈窩監測點法向力響應

2)從圖6中還可以看出，整個分析過程中D／d點所在區域法向力長時間保持在較大值，是易損部位，再設計加工過程中應著重考慮增強措施。

3)試驗得出的為鏈窩法向力的縱向分布結果，便于后期采用不同的摩擦模型分析鏈輪-圓環鏈的摩擦情況，同時為鏈輪的優化及改進設計提供參考。

2.4 鏈輪監測點切向接觸力響應

圖7顯示了平穩運行工況下鏈輪鏈窩監測點切向接觸力響應曲線。從圖中可以看出，切向力大小相對于法向力相差10倍左右。

圖7 鏈輪鏈窩監測點切向力響應

3 結論

本文針對刮板輸送機平穩運行過程中，鏈輪與圓環鏈的的接觸響應進行了詳細分析，得出了如下結論：

1)圓環鏈與鏈輪嚙合過程中，嚙合前半程（α＝0°～90°)的受力情況較后半程（α＝90°～180°)更加惡劣，但是當α＝90°時受力情形最好。

2)鏈輪在整個鏈窩曲面承載不均，極小區域承擔了大部分載荷，危險區域位于鏈窩邊緣且靠近立環開檔的地方，使用過程中極易發生壓潰現象。

3)圓環鏈與鏈輪嚙合過程中，圓環鏈與鏈輪之間會發生明顯滑動，使用過程中容易造成鏈輪的磨損。

4)圓環鏈與鏈輪嚙合過程中，圓環鏈的底面與鏈窩底平面有一定的間隙。

鏈輪使用情況表明，鏈輪的失效形式主要是鏈窩表面磨損或壓潰，與分析結果吻合。通過本文分析，對鏈輪的改進設計提出以下建議。

1)針對鏈輪使用過程中承載不均狀況，建議將鏈輪鏈窩的標準圓弧曲面修改為鏈環承載變形后的外廓包絡面，具體實施辦法為：對鏈輪-圓環鏈嚙合進行靜力學有限元分析，然后提取變形后的鏈環外廓包絡面作為鏈輪鏈窩曲面圓弧段部分；或者提取變形后的鏈環中心線，然后以其為軌跡，標準圓弧為截面，應用三維軟件掃略生成鏈輪鏈窩曲面圓弧段部分。這樣修改產生的積極后果是：輕載工況下，鏈輪與圓環鏈接觸區域較??；但是重載工況下，由于圓環鏈變形導致圓環鏈與鏈輪接觸面積增大（圖8所示)。鏈輪失效是由于長時間處于重載工況，因此改進后的鏈輪能有效延緩鏈輪鏈窩表面的壓潰。

圖8 鏈輪優化過程示意圖

2)針對鏈輪與圓環鏈滑動導致鏈輪鏈窩表面快速磨損現象，在保證鏈輪與圓環鏈之間順利嚙合的前提下，建議將鏈輪鏈窩按圖9所示進行改進設計，這樣能大幅度阻止鏈輪與圓環鏈之間的滑動，同時能增加鏈輪與圓環鏈的接觸面積，一定程度上延緩鏈輪鏈窩表面的磨損與壓潰。

圖9 防滑型鏈輪改進過程示意圖

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