關于SGB380型刮板輸送機傳動鏈條動態結構性能的研究

白鵬飛

（山西新景礦煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000）

引言

刮板輸送機是煤炭綜采工作面的關鍵設備，在工作過程中作往復循環式傳動，工作強度高，作業環境差，所以在重載工況下，其關鍵部件如鏈條、鏈輪等零件容易損耗甚至被破壞。據相關的統計資料顯示，刮板輸送機鏈條的故障占所有故障的42%左右，是第一大故障源[1-2]，因此對鏈條動態分析十分有必要。

1 鏈輪傳動特點分析

刮板輸送機作為一種重要的往復式輸送裝備，在重載條件下運行，存在比較明顯的結構損耗。刮板輸送機結構特點決定了其傳動鏈條系統在工作過程中會受到周期性變化的載荷作用，同時會受到落煤對其所產生的動載荷作用，可見刮板輸送機所承受的隨機載荷較大，其中部槽容易變形或刮板鏈條損耗加重，使用壽命大大降低。

SGB380型刮板輸送機的傳動系統為雙驅動輪型，機頭參與嚙合的鏈條平環在自身重力、摩擦力以及鏈輪驅動力作用下產生滑移，這也加重了鏈條與鏈輪之間的磨損。在整個嚙合的過程中，鏈條與鏈輪之間始終處于接觸狀態，按鏈條與齒輪嚙合的動作的不同可以分為初始嚙合狀態、嚙合狀態、嚙出狀態[3]。圖1所示為刮板鏈條傳動仿真模型，該動態仿真模型包括中部槽、立環、平環、鏈輪以及刮板等結構。

圖1 刮板鏈傳動仿真模型

2 模型的建立

在刮板輸送機的運轉過程中，由于隨機工作載荷的沖擊加上鏈條自身結構的不連續性，導致鏈條受載荷波動影響大，為了降低鏈條在運轉嚙合過程中的不平順性，從動態結構仿真分析入手，以獲取鏈條與鏈輪在嚙合過程中的應力變化情況。將平環1、立環1，平環2、立環2作為分析對象（見圖2），在鏈環上布置速度與加速度傳感器。

圖2 仿真模型鏈條初始位置

考慮到在刮板輸送機的運轉過程中，鏈條在初始嚙合階段所受的應力大，容易產生疲勞斷裂，因此在仿真模型中對初始嚙合階段區域內鏈環進行標記，在每個鏈環上均設置標記點，由此獲取標記點應力變化信息[4]。

應用Creo軟件創建鏈條與鏈輪模型，首先對模型的材料以及耦合關系、載荷情況進行設置：

1）材料設置：按結構要求設置鏈輪與鏈條的材料參數。圓環鏈的材料是23MnCrNiMo，泊松比μ=0.25，彈性模量E=210 GPa；驅動鏈輪的材料為30GrMnTi，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3。據此對模型部件賦予相應的材料屬性[5]。

2）耦合關系：在動態仿真模型中，對結構的相對關系做了簡化處理，中部槽和底槽均被固定于大地上，在刮板與平環之間設置固定約束，在平環與立環之間接觸位置設置無摩擦接觸，在平環與鏈輪接觸區域設置無摩擦接觸，在驅動鏈輪上施加轉動的動力。

3）載荷與約束：約束鏈輪所有位移以及除軸向方向的旋轉自由度，沿鏈輪軸向施加一個旋轉驅動力矩，在鏈輪與鏈條之間設置無摩擦接觸，對鏈條與鏈輪設置嚙合[6]。

3 鏈條仿真結果的分析

當設置鏈輪的驅動轉速為14 r/min時，對該鏈條的仿真結果進行分析。提取模型中鏈條標記點的應力信息，根據嚙合過程時刻的不同將仿真過程分為6個時刻[7]，分別對每個時刻鏈條狀態進行分析。圖3所示為在鏈條動態嚙合過程中立環1與平環1的等效應力云圖。

圖3 立環1與平環1各狀態仿真分析結果

根據兩個相臨鏈環的應力分布情況可知，鏈條的應力變化情況與鏈輪嚙合密切相關，立環相較于平環應力值更大。由于在嚙合過程中立環并未直接參與嚙合，但受到前后兩個平環的作用，在平環內也產生了較為明顯的應力。根據計算仿真結果，可以簡述為：

1）在第0.1 s時，鏈條進入初始嚙合狀態，即平環1開始與鏈輪的鏈齒相接觸，此時由于旋入的角度不大，平環應力大于立環，且最大應力值點位于平環與立環相互接觸的區域，如圖3-1所示；

2）在第0.6 s時，刮板鏈條已經旋入鏈條，平環與鏈輪處于穩定嚙合狀態，此時平環1位于鏈輪的軸線之上，平環最大應力位于與立環接觸區域，立環最大應力位于與平環接觸的外側，如圖3-2所示；

3）在第1.2 s時，最大應力點重新回到兩環相互接觸區域，監測的立環與平環位于鏈輪的左側，如圖3-3所示；

4）在第1.8 s時，平環處于嚙出狀態，鏈環最大應力值相較于前一時刻小一些，如圖3-4所示。

5）在第2.4 s時，平環已嚙出，立環處于與鏈輪底部槽相接觸的位置，鏈條最大應力值點位于立環底中部，如圖3-5所示；

6）在第3.0 s時，鏈條立環與平環已嚙出鏈輪，平環與立環接觸面積大幅減少，鏈條的應力降低，此時鏈條已經進入松弛邊，如圖3-6所示。

根據仿真結果分析可知，立環1與平環1在由機尾向機頭運行時，鏈環上應力無明顯變化，之后鏈條在嚙合鏈輪時，在第0.1 s時立環上應力達到最大值，在第2.9 s時平環上應力達到整個鏈條嚙合過程中的最大值。

4 鏈條應力特性分析

根據刮板鏈條與鏈輪的動態仿真分析結果，如圖4所示的在嚙合階段鏈條立環1與平環1上監測點應力分布情況，以及如圖5所示的立環1、平環1上監測點在鏈條直線運行階段的應力分布情況，可以查看標記點在不同時刻應力變化曲線，以此更加直觀地了解鏈條應力的分布特點，對鏈條的結構設計與優化具有重要的參考意義。

圖4 嚙合段等效應力與時間關系

圖5 直線段等效應力與時間關系

如圖4所示：在初始嚙合階段鏈條鏈環上應力波動情況相對一致，平環標記點2位置應力最大，標記點1應力最小；而在1.5 s之后，鏈條各標記點應力波動較小，與鏈條實際嚙合的情況相似。

如圖5所示：所有標記點在0.1 s左右應力達到最大值；之后，直線段內運行的鏈條上各標記點應力均無較大變化。與鏈條實際嚙合情況類似，當鏈條在嚙出進入直線段后，鏈條處于松弛段。

5 結論

在刮板輸送機動態運行中，很難根據刮板鏈條與鏈輪之間的靜強度分析來判斷鏈條的應力分布情況。通過建立動力學仿真模型，動態分析鏈條在嚙合過程中的應力變化情況，可得到仿真分析結果，為刮板輸送機結構設計提供理論參考，對提高鏈條可靠性以及輸送機整體的使用性能具有重要意義。