刮板輸送機鏈傳動系統的動力學特性分析

張 璞

（陽煤集團一礦機電工區， 山西 陽泉 045008）

引言

刮板輸送機作為煤炭開采時所不可缺少的機械設備，其在確保煤炭生產企業正常、高效生產方面扮演著十分重要的角色。刮板輸送機是依靠鏈傳動系統進行工作的，因鏈傳動系統是一個半柔性體結構，在工作的過程中，由于外載荷的作用，會產生較大的振動、沖擊，這樣會嚴重影響在傳動過程中的穩定性，同時也加劇了鏈條的磨損，極大地降低了刮板輸送機的使用壽命和工作可靠性[1]，因此如何優化刮板輸送系統的結構，優化其在工作過程中的動力學特性，成為煤炭生產企業迫切需要解決的問題。

1 鏈傳動的多邊形效應

刮板輸送機在運行過程中之所以會產生振動、沖擊主要是由于鏈條傳動過程中的多邊形效應引起的。多邊形效應是指鏈條在剛進入主動鏈輪時，鏈輪轉過一個齒，水平方向鏈速就從小到大、再從大到小變化一次，同時伴隨著鏈條豎直方向上下運動一次，鏈條忽上忽下顫抖且由于接觸部分是多邊形的，從而引起鏈傳動的運動不均勻性現象。因此為了研究刮板輸送機鏈傳動系統在工作過程中的動態特性，首先對鏈傳動的多邊形效應進行分析，如圖1所示。

圖1 鏈傳動速度分析示意圖

由圖1所示，當鏈條在銷鏈上運動時，銷鏈帶動鏈條沿順時針方向進行運動，此時鏈輪上的其他銷鏈是不會直接參與到牽引鏈條運動中去的，此時A處的銷鏈和主動鏈輪運轉的線速度V=Rω，方向垂直于OA，設此時與鏈條在垂直運動方向上的夾角為β，則可由此計算出A位置的銷鏈實際牽引鏈條運行的線速度為[2]：

在實際工作的過程中夾角β是在不斷地變化著，因此即便是鏈輪以恒轉速運轉，鏈條的速度也是處于不斷變化的過程中的，且經分析可知，當角度時鏈條的運行速度最低，當角度β=0時鏈條的速度最高，在鏈輪帶動鏈條運轉的過程中鏈速是進行周期性變化的，其變化周期的大小主要取決于鏈輪的運行速度和鏈輪上鏈節的數量Z，鏈輪的運行速度越高，鏈輪的齒數越少，鏈條在運行過程中的速度變化范圍就越大。

當牽引鏈條的速度發生變化的時候，位置A處的鏈條上下運動，其鏈速也是不斷地呈周期性的變化，可表示為：

可見，由于運行速度的不斷變化最終導致了鏈傳動過程中的多邊形效應，從而導致了鏈傳動過程中的不穩定性。

因此根據分析結果，在設計鏈傳動的鏈輪的時候盡量將鏈輪設計成接近于圓形，增加鏈輪的齒數，可有效減少鏈傳動過程中的多邊形效應，降低在傳動過程中的振動和沖擊[3]。

鏈傳動在運行的過程中會產生縱向振動和橫向振動，在不考慮磨損的前提下，鏈傳動的多邊形效應對鏈傳動的縱向振動影響要遠大于對橫向振動的影響，因此我們需要對鏈傳動過程中縱向振動的情況進行分析，將鏈傳動系統假設為一個彈簧振子系統，假設鏈條的質量均集中在鏈條銷接點處，如下頁圖2所示。

圖2 鏈條縱向振動的數學模型

則鏈條縱向振動的矩陣微分方程可表示為：

式中：[M]為鏈傳統系統的質量矩陣；[K]為鏈傳統系統的剛度矩陣；x為縱向位置的偏移量。

2 刮板輸送機鏈傳動的仿真分析

利用Creo三維建模軟件建立刮板輸送機系統鏈傳動的三維模型，并將其導入到ADAMS/View中進行仿真分析[4]，其三維模型如圖3所示。

圖3 鏈條傳動的三維模型

為了對刮板輸送機在不同運行速度下的運行情況進行分析，分別設置鏈輪的運行速度為110 rad/s、90 rad/s、70 rad/s為分析對象，仿真分析結果如圖4—圖6所示。

圖4 角速度為110 rad/s情況下鏈速變化曲線

圖5 角速度為90 rad/s情況下鏈速變化曲線

圖6 角速度為70 rad/s情況下鏈速變化曲線

由分析結果可以看出，當鏈輪的運行角速度為110 rad/s時，鏈傳動系統在運行時的波動差為0.015 m/s；當鏈輪的運行角速度為90 rad/s時，鏈傳動系統在運行時的波動差為0.014 m/s，當鏈輪的運行角速度為70 rad/s時，鏈傳動系統在運行時的波動差為0.012 m/s，因此，適當降低刮板輸送機的運行速度可以顯著提高鏈傳動系統在工作時的穩定性，降低磨損消耗，提高其使用壽命。

刮板輸送機的鏈傳動系統，在運行過程中鏈環與鏈輪之間的接觸力會隨著其運行速度的變化而變化，接觸力越大，越容易導致鏈環的磨損，其仿真分析結果如圖7所示。

圖7 鏈輪與鏈環接觸位置接觸力變化曲線

根據分析結果可知，在齒輪與鏈環在嚙合過程中，在約1.7 s時開始嚙合，在鏈輪帶動鏈環過程中接觸力隨著嚙合的深入而迅速增大，在約2.3 s時達到接觸力的最大值，然后隨著鏈輪和鏈環的脫離，接觸力會逐漸地降低，嚙合時間越長其力的分散越徹底，因此適當降低刮板輸送機的傳送速度有助于減少嚙合時的磨損，延長鏈傳動系統的使用壽命。

3 結論

通過對刮板輸送機鏈傳動系統的研究，在總結實踐經驗的基礎上，研究分析影響刮板輸送機鏈傳動系統運行穩定性的因素和實際需求，采用ADAMS仿真分析軟件對刮板輸送機在不同運行速度情況下的動力學情況進行仿真分析。分析結果表明，鏈傳動系統在運行過程中的振動、沖擊情況會隨著運行速度的降低而減小，因此適當降低刮板輸送機的運行速度可以顯著提高鏈傳動系統在工作時的穩定性，降低磨損消耗，提高其使用壽命，對確保刮板輸送機鏈傳動系統的正常工作具有十分重要的意義。