刮板輸送機鏈傳動動力學分析

高 磊

（晉能控股煤業集團晉華宮礦綜采二隊， 山西 大同 037016）

引言

目前地下煤礦開采使用最廣泛的技術是綜采技術，即圍繞采煤機、刮板輸送機、液壓支架三種主要設備構成綜采工作面，由液壓支架進行支護、采煤機進行割煤、刮板輸送機進行運煤，三機協同完成煤炭礦石的開采[1]。刮板輸送機作為主要運輸設備，其工作狀態關系著礦石能否順利運出綜采工作面。刮板輸送機的運動是依靠鏈傳動實現的，圓環鏈與鏈輪不斷嚙合傳動，承受了很大的載荷，是整個刮板輸送機中最容易出現故障的部位，因此對刮板輸送機進行鏈傳動的動力學分析是十分必要的，有助于提高運行效率[2]。

1 建立三維模型

刮板輸送機是一種較為復雜的設備，其工作原理是通過液力耦合器和減速器將驅動電機提供的扭矩放大，傳遞到鏈輪軸，鏈輪軸帶動鏈輪轉動，由鏈條與鏈輪不斷嚙合的過程將驅動電機的旋轉運動轉換為直線運動，從而實現運輸功能[3]。實際傳動系統的組件非常多，如果完全按照實際進行三維建模，會使軟件仿真的計算量十分巨大，受限于計算機的硬件系統，仿真時間可能會非常久，因此需要對傳動系統進行合理簡化，以便提高仿真效率，但在簡化時不能降低仿真精度，改變仿真結果。本文在建立鏈傳動三維模型時對圓環鏈的數量進行了減少，并且將雙鏈簡化為單鏈，可以顯著減少實體數量，提高仿真計算效率[4]。

鏈條是由很多圓環鏈首尾串聯組成的一條環形鏈條，相鄰圓環鏈互相垂直，每一個圓環鏈的規格都一致，因此可以先建立單個圓環鏈的實體模型，再將其組裝成鏈條。圓環鏈為礦用圓環鏈，是一種標準件，符合GB/T12718-2009，根據某礦實際使用鏈條的規格和標準中的參數進行二維草圖和引導線繪制，利用掃掠功能即可繪制出單個圓環鏈的三維模型。

鏈輪也是一種標準件，符合GB/T 24503—2009，根據某礦實際使用鏈輪的規格和標準中的參數進行鏈輪的三維模型繪制，需要注意的是平環與鏈輪鏈窩嚙合，立環則與鏈輪槽嚙合，鏈輪模型的精確建立對二者的嚙合接觸特性的分析至關重要。

在進行鏈條裝配時，為了降低工作量，可以將鏈條分為直線段和曲線段兩部分，直線段的鏈條不與鏈輪接觸，可以采用陣列的方式進行裝配。曲線段的圓環鏈與鏈輪接觸，要通過定義圓環鏈與鏈輪窩的接觸進行自由度的約束，同時要避免出現干涉現象。最后將直線段與曲線段連接起來，即完成了整個傳動系統的三維模型的建立工作，如圖1 所示。最終裝配完成后還要再進行一次干涉檢查，保證鏈傳動模型建立的正確性，避免仿真時軟件報錯。

圖1 鏈傳動系統三維模型

2 動力學仿真分析

將建立好的三維模型導入到ADAMS 軟件中，并對模型進行質心、慣性張量等參數進行設定，約束其自由度，使鏈輪只能做純轉動，再添加驅動力矩及運行阻力[5]。鏈輪的轉動速度是經過減速器減小后的驅動電機轉速，某礦的驅動電機轉速為1 440 r/min，減速器傳動比為22.4，可以計算出鏈輪的轉動速度為6.73 rad/s。鏈輪的驅動力矩是經減速器放大后的驅動電機扭矩，可以根據電機功率和傳動效率計算出來，某礦的驅動電機額定功率為17 kW，計算得到鏈輪額定轉矩為821 N·m。對所有參數設定完成后，將仿真時間設定為4 s，步長0.01 s，進行動力學求解[6]。

以曲線段圓環鏈中的圓環鏈為對象進行受力分析，分析圓環鏈與驅動鏈輪間的接觸力及圓環鏈間的接觸力力。如圖2-1 所示，前1.47 s 內，圓環鏈與鏈輪的接觸力為0，說明此時驅動鏈輪與圓環鏈還未發生接觸。從1.47 s 開始，驅動鏈輪與圓環鏈間的接觸力開始逐漸增大，此時驅動鏈輪與圓環鏈發生嚙合，進行傳動，接觸力很快增大到8 220 N。從1.85 s 開始，驅動鏈輪與圓環鏈間的接觸力又開始逐漸減小至0，此時圓環鏈與驅動鏈輪的嚙合結束。相鄰圓環鏈的受力過程也如出一轍，驅動鏈輪不斷與圓環鏈嚙合，從而帶動整個鏈傳動系統。

圖2-2 為圓環鏈之間的接觸力曲線。在啟動的一瞬間，圓環鏈間的接觸力迅速增大至18 000 N，這是由于啟動時的狀態突變。隨后1.7 s 內，圓環鏈間的接觸力在7 500 N 左右波動，此時圓環鏈位于緊邊，還未與驅動鏈輪發生接觸，在1.7 s 時由于鏈輪的多邊形效應使得傳動載荷發生變化，圓環鏈間的接觸力出現一個小拐點。隨后圓環鏈間的接觸力逐漸下降至0，這是由于圓環鏈開始與驅動鏈輪發生嚙合，此時圓環鏈受到的力是作用在驅動鏈輪與圓環鏈的接觸面上，圓環鏈之間沒有接觸力。隨后圓環鏈進入松邊，在3.0 s 時又開始進入緊邊。

圖2 鏈傳動系統拉力仿真曲線

在刮板輸送機鏈傳動系統運動過程中，圓環鏈不斷重復由緊邊向驅動鏈輪方向移動，與驅動鏈輪發生嚙合，再進入松邊，向從動鏈輪方向移動，與從動鏈輪嚙合，再進入緊邊這一過程，在這個過程中，圓環鏈間的接觸力力大于圓環鏈與驅動鏈輪間的接觸力，圓環鏈內測應力增大明顯，最大應力為170 MPa，位于圓環鏈中彎曲段與直線段的拐點位置，如圖3-1 所示。在鏈傳動系統運行過程中，驅動鏈輪與圓環鏈不斷發生嚙合，在驅動鏈輪與圓環鏈接觸時，驅動鏈輪在鏈窩齒根處受到的應力最大，最大值為8.53 MPa，如圖3-2 所示。

圖3 鏈傳動系統受力（Pa）云圖

3 結論

鏈傳動系統是刮板輸送機的核心系統，直接決定了刮板輸送機的工作效率。建立簡化的鏈傳動模型，導入到仿真軟件中進行動力學分析，從整個系統的受力分析中可以看出，鏈傳動在啟動瞬間會產生較大的沖擊載荷，在圓環鏈互相接觸的位置會產生最大應力；驅動鏈輪在與圓環鏈嚙合時，會在鏈窩齒根處產生沖擊載荷，容易使鏈窩發生變形，影響傳動效率和鏈輪壽命，因此，在進行刮板輸送機設計時應對鏈傳動系統進行優化。