關(guān)于SGB380型刮板輸送機(jī)傳動(dòng)鏈條動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)性能的研究

白鵬飛

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

刮板輸送機(jī)是煤炭綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，在工作過(guò)程中作往復(fù)循環(huán)式傳動(dòng)，工作強(qiáng)度高，作業(yè)環(huán)境差，所以在重載工況下，其關(guān)鍵部件如鏈條、鏈輪等零件容易損耗甚至被破壞。據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料顯示，刮板輸送機(jī)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(duì)鏈條動(dòng)態(tài)分析十分有必要。

1 鏈輪傳動(dòng)特點(diǎn)分析

刮板輸送機(jī)作為一種重要的往復(fù)式輸送裝備，在重載條件下運(yùn)行，存在比較明顯的結(jié)構(gòu)損耗。刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其傳動(dòng)鏈條系統(tǒng)在工作過(guò)程中會(huì)受到周期性變化的載荷作用，同時(shí)會(huì)受到落煤對(duì)其所產(chǎn)生的動(dòng)載荷作用，可見(jiàn)刮板輸送機(jī)所承受的隨機(jī)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(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)為雙驅(qū)動(dòng)輪型，機(jī)頭參與嚙合的鏈條平環(huán)在自身重力、摩擦力以及鏈輪驅(qū)動(dòng)力作用下產(chǎn)生滑移，這也加重了鏈條與鏈輪之間的磨損。在整個(gè)嚙合的過(guò)程中，鏈條與鏈輪之間始終處于接觸狀態(tài)，按鏈條與齒輪嚙合的動(dòng)作的不同可以分為初始嚙合狀態(tài)、嚙合狀態(tài)、嚙出狀態(tài)[3]。圖1所示為刮板鏈條傳動(dòng)仿真模型，該動(dòng)態(tài)仿真模型包括中部槽、立環(huán)、平環(huán)、鏈輪以及刮板等結(jié)構(gòu)。

圖1 刮板鏈傳動(dòng)仿真模型

2 模型的建立

在刮板輸送機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于隨機(jī)工作載荷的沖擊加上鏈條自身結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，導(dǎo)致鏈條受載荷波動(dòng)影響大，為了降低鏈條在運(yùn)轉(zhuǎn)嚙合過(guò)程中的不平順性，從動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)仿真分析入手，以獲取鏈條與鏈輪在嚙合過(guò)程中的應(yīng)力變化情況。將平環(huán)1、立環(huán)1，平環(huán)2、立環(huán)2作為分析對(duì)象（見(jiàn)圖2），在鏈環(huán)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(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，鏈條在初始嚙合階段所受的應(yīng)力大，容易產(chǎn)生疲勞斷裂，因此在仿真模型中對(duì)初始嚙合階段區(qū)域內(nèi)鏈環(huán)進(jìn)行標(biāo)記，在每個(gè)鏈環(huán)上均設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)，由此獲取標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)力變化信息[4]。

應(yīng)用Creo軟件創(chuàng)建鏈條與鏈輪模型，首先對(duì)模型的材料以及耦合關(guān)系、載荷情況進(jìn)行設(shè)置：

1）材料設(shè)置：按結(jié)構(gòu)要求設(shè)置鏈輪與鏈條的材料參數(shù)。圓環(huán)鏈的材料是23MnCrNiMo，泊松比μ=0.25，彈性模量E=210 GPa；驅(qū)動(dòng)鏈輪的材料為30GrMnTi，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3。據(jù)此對(duì)模型部件賦予相應(yīng)的材料屬性[5]。

2）耦合關(guān)系：在動(dòng)態(tài)仿真模型中，對(duì)結(jié)構(gòu)的相對(duì)關(guān)系做了簡(jiǎn)化處理，中部槽和底槽均被固定于大地上，在刮板與平環(huán)之間設(shè)置固定約束，在平環(huán)與立環(huán)之間接觸位置設(shè)置無(wú)摩擦接觸，在平環(huán)與鏈輪接觸區(qū)域設(shè)置無(wú)摩擦接觸，在驅(qū)動(dòng)鏈輪上施加轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)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(zhuǎn)自由度，沿鏈輪軸向施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩，在鏈輪與鏈條之間設(shè)置無(wú)摩擦接觸，對(duì)鏈條與鏈輪設(shè)置嚙合[6]。

3 鏈條仿真結(jié)果的分析

當(dāng)設(shè)置鏈輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為14 r/min時(shí)，對(duì)該鏈條的仿真結(jié)果進(jìn)行分析。提取模型中鏈條標(biāo)記點(diǎn)的應(yīng)力信息，根據(jù)嚙合過(guò)程時(shí)刻的不同將仿真過(guò)程分為6個(gè)時(shí)刻[7]，分別對(duì)每個(gè)時(shí)刻鏈條狀態(tài)進(jìn)行分析。圖3所示為在鏈條動(dòng)態(tài)嚙合過(guò)程中立環(huán)1與平環(huán)1的等效應(yīng)力云圖。

圖3 立環(huán)1與平環(huán)1各狀態(tài)仿真分析結(jié)果

根據(jù)兩個(gè)相臨鏈環(huán)的應(yīng)力分布情況可知，鏈條的應(yīng)力變化情況與鏈輪嚙合密切相關(guān)，立環(huán)相較于平環(huán)應(yīng)力值更大。由于在嚙合過(guò)程中立環(huán)并未直接參與嚙合，但受到前后兩個(gè)平環(huán)的作用，在平環(huán)內(nèi)也產(chǎn)生了較為明顯的應(yīng)力。根據(jù)計(jì)算仿真結(jié)果，可以簡(jiǎn)述為：

1）在第0.1 s時(shí)，鏈條進(jìn)入初始嚙合狀態(tài)，即平環(huán)1開(kāi)始與鏈輪的鏈齒相接觸，此時(shí)由于旋入的角度不大，平環(huán)應(yīng)力大于立環(huán)，且最大應(yīng)力值點(diǎn)位于平環(huán)與立環(huán)相互接觸的區(qū)域，如圖3-1所示；

2）在第0.6 s時(shí)，刮板鏈條已經(jīng)旋入鏈條，平環(huán)與鏈輪處于穩(wěn)定嚙合狀態(tài)，此時(shí)平環(huán)1位于鏈輪的軸線之上，平環(huán)最大應(yīng)力位于與立環(huán)接觸區(qū)域，立環(huán)最大應(yīng)力位于與平環(huán)接觸的外側(cè)，如圖3-2所示；

3）在第1.2 s時(shí)，最大應(yīng)力點(diǎn)重新回到兩環(huán)相互接觸區(qū)域，監(jiān)測(cè)的立環(huán)與平環(huán)位于鏈輪的左側(cè)，如圖3-3所示；

4）在第1.8 s時(shí)，平環(huán)處于嚙出狀態(tài)，鏈環(huán)最大應(yīng)力值相較于前一時(shí)刻小一些，如圖3-4所示。

5）在第2.4 s時(shí)，平環(huán)已嚙出，立環(huán)處于與鏈輪底部槽相接觸的位置，鏈條最大應(yīng)力值點(diǎn)位于立環(huán)底中部，如圖3-5所示；

6）在第3.0 s時(shí)，鏈條立環(huán)與平環(huán)已嚙出鏈輪，平環(huán)與立環(huán)接觸面積大幅減少，鏈條的應(yīng)力降低，此時(shí)鏈條已經(jīng)進(jìn)入松弛邊，如圖3-6所示。

根據(jù)仿真結(jié)果分析可知，立環(huán)1與平環(huán)1在由機(jī)尾向機(jī)頭運(yùn)行時(shí)，鏈環(huán)上應(yīng)力無(wú)明顯變化，之后鏈條在嚙合鏈輪時(shí)，在第0.1 s時(shí)立環(huán)上應(yīng)力達(dá)到最大值，在第2.9 s時(shí)平環(huán)上應(yīng)力達(dá)到整個(gè)鏈條嚙合過(guò)程中的最大值。

4 鏈條應(yīng)力特性分析

根據(jù)刮板鏈條與鏈輪的動(dòng)態(tài)仿真分析結(jié)果，如圖4所示的在嚙合階段鏈條立環(huán)1與平環(huán)1上監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布情況，以及如圖5所示的立環(huán)1、平環(huán)1上監(jiān)測(cè)點(diǎn)在鏈條直線運(yùn)行階段的應(yīng)力分布情況，可以查看標(biāo)記點(diǎn)在不同時(shí)刻應(yīng)力變化曲線，以此更加直觀地了解鏈條應(yīng)力的分布特點(diǎn)，對(duì)鏈條的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有重要的參考意義。

圖4 嚙合段等效應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系

圖5 直線段等效應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系

如圖4所示：在初始嚙合階段鏈條鏈環(huán)上應(yīng)力波動(dòng)情況相對(duì)一致，平環(huán)標(biāo)記點(diǎn)2位置應(yīng)力最大，標(biāo)記點(diǎn)1應(yīng)力最??；而在1.5 s之后，鏈條各標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)力波動(dòng)較小，與鏈條實(shí)際嚙合的情況相似。

如圖5所示：所有標(biāo)記點(diǎn)在0.1 s左右應(yīng)力達(dá)到最大值；之后，直線段內(nèi)運(yùn)行的鏈條上各標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)力均無(wú)較大變化。與鏈條實(shí)際嚙合情況類(lèi)似，當(dāng)鏈條在嚙出進(jìn)入直線段后，鏈條處于松弛段。

5 結(jié)論

在刮板輸送機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行中，很難根據(jù)刮板鏈條與鏈輪之間的靜強(qiáng)度分析來(lái)判斷鏈條的應(yīng)力分布情況。通過(guò)建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，動(dòng)態(tài)分析鏈條在嚙合過(guò)程中的應(yīng)力變化情況，可得到仿真分析結(jié)果，為刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考，對(duì)提高鏈條可靠性以及輸送機(jī)整體的使用性能具有重要意義。