高效柔性管鏈式輸送設備的設計與仿真分析

王震民 李永祥 王明旭 王懷庭

(1. 河南工業大學，河南 鄭州 450001；2. 河南九域博大實業有限公司，河南 鄭州 450051)

在糧食運輸、倉儲等過程中，傳統的輸送設備存在加料和卸料位置較為單一，清理物料殘渣效率低下等問題，而管鏈機是連續性輸送設備，輸送的空間角度比較靈活，效率更高，且可實現三維輸送[1-3]。但現有管鏈輸送設備在輸送黏附性物料時，存在附著物料的問題，如不及時清理，殘余物料進入下一個輸送環節，會使管鏈機的工作效率降低，降低管鏈機穩定性，甚至會減少設備的使用壽命[4-6]。研究[7]發現，此類黏附性物料清理難度大，而已有的清掃設備的清理效率較低，不能有效完成清掃工作。

管鏈機作為新型物料輸送設備，輸送物料適用性強，能實現空間內任意角度多種物料的封閉連續輸送，可替代刮板機[8-9]、帶式輸送機等傳統輸送設備，被廣泛應用于冶金、化工、建筑、糧食運輸等行業[10]。但目前，針對于管鏈輸送設備清掃裝置的研究較少，謝華昆[11]針對化工產業中，物料回收時存在大量揚塵的問題，通過一種集成技術，設計了一種集成清掃設備應用于化工行業的輸送系統；王慶杰等[12]針對農機播種時存在雜質，影響播種質量的問題，研究出一種適用于螺旋輸送系統的清理裝置，提高了螺旋輸送行業的清理效率；蘇冠明[13]針對空調通風管道容易堵塞導致通風效果下降的問題，設計出一種適用于矩形通風管道的清掃裝置，且至今還未見高效的適用于管鏈輸送機的清掃裝置的相關研究報道。

試驗擬設計一種新型高效柔性管鏈輸送設備，設備整體采用模塊化設計理念，分為進料模塊、多點卸料模塊、輸送模塊、自動清理模塊等，各模塊之間采用法蘭連接，裝配更靈活，后期設備維修、更換零部件等工作更方便。采用SolidWorks三維建模及虛擬裝配，對產品設計的裝配可行性進行分析驗證。運用ANSYS有限元分析軟件，對設備的主要部件進行力學分析，確保設計的可靠性，以期對管鏈輸送行業提供借鑒。

1 管鏈式輸送設備的整體設計及工作原理

管鏈式輸送設備整體模型如圖1所示。從動輪模塊固定在尾部支架上，主要負責傳動裝置的轉換，調節鏈條的張緊程度；主動輪模塊固定在頭部支架上，為輸送設備提供動力；從動輪模塊的輸出端連接入料模塊的輸入端，輸料管道的輸出端接自動卸料模塊的輸入端，之后連接管鏈機主動輪模塊的輸出端，之間用法蘭連接，方便后期的拆卸與維修。所設計的自動清理裝置位于管鏈機輸送段最后工位，在保證物料可經卸料工位運輸到既定位置的同時，又可充分地完成對殘余物料的清掃工作，提高清掃效率。輸料管道部分采用兩個半彎管配合連接的方式，便于管鏈機進行后期拆卸檢修維護。

1. 從動模塊支架 2. 固定箱體 3. 連接法蘭 4. 上料口 5. 輸送彎管 6. 卸料管 7. 卸料擋板 8. 驅動電機 9. 箱體 10. 支架 11. 減速器 12. 清掃刷 13. 收集料斗 14. 伺服電機 15. 軸承座 16. 張緊螺栓

根據管鏈機本身的結構特點，結合相關文獻[14]可以推出管鏈機的體積效率及體積產量公式，以便后續管鏈機清掃裝置的清掃效果公式的推導與驗證。

管鏈機的體積效率[15]計算公式：

(1)

式中：

ηV——管鏈機的體積效率，%；

Vks——鏈條和鏈板的體積，m3；

V——輸送管道內部的體積，m3。

管鏈機的體積效率取決于管鏈機鏈板的間距，以及鏈板與鏈條的尺寸，通常體積效率為0.89～0.96[16]。

管鏈機的體積產量[17]計算公式：

(2)

式中：

Iv——管鏈機的體積產量，m3/s；

ηF——輸送效率，%；

ηV——體積效率，%；

vk——輸送速度，m/s；

A——管道面積，m2；

d——管道內部直徑，m。

2 管鏈式輸送設備主要模塊設計

2.1 驅動模塊

驅動模塊的作用是為自動化管鏈輸送設備提供動力，其結構如圖2所示。伺服電動機固定在管鏈機驅動模塊上方的電機座上。伺服電機與電機座之間裝有減速器，減速器的輸入端接電動機的輸出端，減速器的輸出端接管鏈輸送設備頭部部裝的輸入端。管鏈輸送設備頭部部裝內部設置有傳動軸、傳動鏈輪，傳動鏈輪的中心固定設置于傳動軸上，傳動軸的頂端與減速器的輸出端相連接，輸出位置配有檢測裝置，用來檢測輸料管道中介質的流量大小和流速，防止流速或流量過大造成管鏈輸送設備的過度磨損。

1. 伺服電機 2. 減速器 3. 傳動軸 4. 傳動鏈輪 5. 電機座

2.2 從動模塊

管鏈機從動輪模塊包括支撐箱體、張緊機構等，其結構如圖3所示。張緊機構和鏈板位于箱體上方，驅動軸位于箱體內部，軸承座、鏈輪和鏈板位于箱體底部。鏈輪與鏈板相連接，鏈輪的中心固定于驅動軸上，軸承座與驅動軸連接。在箱體內部位于管鏈機尾部部裝的輸出端設置有連接位，連接輸料管將箱體中的介質輸出。管鏈機尾部部裝由張緊螺栓與輸料管道緊固連接，用來調節連接處的張緊度。

1. 連接法蘭 2. 輸料管 3. 驅動軸 4. 張緊螺栓 5. 箱壁6. 鏈板 7. 鏈輪 8. 軸承座

2.3 自動卸料裝置

自動卸料裝置如圖4所示。該裝置左右兩端各有一個連接法蘭，可在輸料管不同位置接入，實現多點自動卸料，以提升卸料效率，并且卸料工位可根據實際需要自行調整，靈活度較高。當輸送物料到達卸料位時，電機轉動，帶動方形轉軸，打開卸料擋板，輸料管內的物料在重力作用下，在對應的下料口卸出。當該位置不需要卸料時，電機轉動，帶動方形轉軸反向轉動，閉合卸料擋板，輸送管內的物料即可繼續向前輸送。卸料時根據實際情況選擇不同的卸料口，既能提高卸料工位的選擇性，又可實現多個卸料口同時卸料，提高卸料效率。

1. 連接法蘭 2. 輸料管 3. 卸料擋板 4. 方形轉軸 5. 聯軸器 6. 電機

2.4 清掃裝置設計

清掃裝置的主要作用是在物料經管鏈輸送設備到達卸料位后，對鏈板、鏈條上附著的殘余物料進行清掃作業，并收集殘余物料，避免殘余物料影響輸送設備的穩定性以及輸送物料的質量。如圖5所示，清掃裝置主要由余料收集器、清掃器以及傳動部分組成。其中傳動部分由清掃軸、軸承支架、伺服電機、清掃軸承組成。清掃毛刷固定在清掃軸上，清掃軸通過軸承與軸承支架固定在清掃區外殼上，清掃電機通過換向器為清掃裝置提供動力，為保證清掃效果，采用兩個毛刷對稱分布的布局。鏈板、鏈條由管道經過清理裝置時，一側伺服電機首先帶動清掃毛刷轉動，迅速將鏈板和鏈條上的附著物料清理掉，落入漏槽，進入下方余料收集裝置中。在輸送大量物料時，設備的運輸速度會有所提升，隨著輸送設備輸送速度增加，鏈板鏈條上的殘余物料附著程度也會逐漸增加，根據物料粘附程度，設定速度閾值，在管鏈機輸送速度達到既定閾值時，速度檢測裝置輸出信號，控制清掃裝置尚未啟動的伺服電機開始帶動清掃毛刷進行清掃工作，清理過程無需人工干預，提高了設備的工作效率。由于管鏈機輸送物料的多樣性，在進行清理工作時受輸送物料種類、物料狀態影響，清掃效果有所不同，可根據實際情況調整毛刷的清掃圈數來達到最優的清掃效果。

1. 連接法蘭處 2. 輸送管 3. 驅動電機 4. 鏈板、鏈條 5. 毛刷 6. 漏槽

3 管鏈式輸送設備關鍵部件仿真分析

3.1 仿真參數

根據實際情況，將鏈輪、鏈節材料屬性選為45#鋼，在ANSYS Workbench材料庫中選擇Structural steel，結合國內外相關文獻[18]及軟件內置GEMM數據庫，對材料離散元仿真參數進行設置，各仿真參數的取值：彈性模量E=210 GPa，剪切模量G=70 GPa，泊松比μ=0.269，材料密度ρ=7 850 kg/m3，安全系數n=1.34。根據管鏈機實際工作情況，對仿真構件定義約束并施加穩態的慣性力、外部施加的作用力、溫度載荷及位移載荷。

3.2 仿真模型

運用SolidWorks三維建模軟件，建立傳動裝置鏈輪、鏈條以及清掃軸三維模型(圖6)，將模型導入ANSYS中劃分網格，并進行仿真。

圖6 傳動裝置鏈輪、鏈條及清掃軸的三維模型

3.3 傳動構件的仿真分析

通常管鏈輸送設備產生的故障緣于鏈輪、鏈條構件，而主動軸是傳動模塊最主要的構件之一，故對主動軸、鏈輪及鏈條進行仿真分析。運用ANSYS仿真軟件，對所設計的管鏈輸送設備傳動部分進行仿真分析。

3.3.1 主傳動鏈輪 鏈輪在轉動過程中，受力的齒為上部與鏈條接觸的齒，下部3個齒與鏈條并不接觸，不會受到鏈條的作用力。由圖7可知，鏈輪下部3個齒應力值最小，顏色顯示為藍色，最大的應力點位出現在與鏈接觸的齒面部位和齒根部位，應力集中主要發生在嚙合部位，其最大應力為152.91 MPa，材料極限應力σs=355 MPa，由式(3)可計算許用應力：

圖7 主傳動鏈輪的應力和應變圖

(3)

式中：

[σ]——許用應力，MPa；

S——安全系數，取1.2～1.5。

取S為1.34，由式(3)求得許用應力為264.93 MPa，因此鏈輪部分可以滿足使用要求。

3.3.2 主傳動鏈 由于鏈條為多個單元鏈節組成，受力集中在鏈節間接觸的圓弧處，且集中于圓弧內側，取單個鏈節進行仿真分析。由圖8可知，鏈節內側應力云圖呈紅色，可見此處為最大應力集中區域，其最大集中應力為71.173 MPa，材料許用應力為269.93 MPa，因此鏈節部分可滿足使用要求。

圖8 主傳動鏈鏈節的應力和應變圖

由仿真結果可知，所設計鏈輪、鏈條部分均可滿足設計預期，加工時對鏈輪齒部應進行高頻淬火、回火處理，以保證鏈輪齒部耐磨性。

3.3.3 主傳動軸 分析結果如圖9所示，在主傳動軸軸肩位置應力云圖顏色介于深黃色與紅色之間，因此應力主要集中發生在該部位，其所承受的最大應力為114.75 MPa，遠小于材料的許用應力269.93 MPa，因此該構件可滿足使用要求，故由仿真結果可得所設計的清掃裝置能夠滿足要求。

圖9 主傳動軸的應力和應變圖

4 結論

在傳統輸送裝置基礎上，基于模塊化設計思想設計了一種高效柔性管鏈式輸送設備。仿真結果表明，設計的高效柔性管鏈輸送設備清掃裝置解決了傳統輸送裝置加料、卸料位置單一，輸送空間不靈活的問題，可實現多點加料、卸料，能夠自動有效地清理運輸物料殘渣，可以降低設備的清掃難度，提高管鏈輸送設備的輸送效率及

輸送物料的品質。后續將針對實體樣機開展試驗探究，以進一步驗證設備的有效性及可靠性。