關于SGZ730型刮板輸送機鏈傳動嚙合特征的研究

張 杰

（山西寧武大運華盛南溝煤業有限公司，山西 寧武 036700）

引言

刮板輸送機在煤炭開采中使用量較大，掘進機將煤炭截割掉下來后，需要輸送機源源不斷地將煤運輸到礦井，因此輸送機的關鍵的傳動結構、動力裝置等都可能產生較大磨損，由此造成輸送機使用壽命的降低。圓環鏈作為牽引機構，刮板輸送機在工作中刮板與圓環鏈之間存在較大的摩擦力，刮板推動物料往前進行運輸，在工作載荷的作用下刮板輸送機產生較為嚴重的磨損。與此同時，物料下落可能會給設備產生較大的載荷沖擊，所以刮板輸送機必須要具有強耐磨性、高強度和剛度。

刮板輸送機的結構分布位置可以分為機頭結構、中間結構、機尾結構，其中機頭位置主要包括輸送機的驅動電機、變速箱、鏈輪以及鏈條等結構。中部結構主要包括刮板鏈條、刮板等，機尾則主要包括輸送機皮帶轉向輪。基于鏈條與鏈輪的嚙合模型，對其嚙合力學模型進行分析，創建鏈條鏈輪的分析模型，模擬計算鏈條在嚙合過程中的受力特征，對于研究增強鏈條與鏈輪的可靠性具有重要意義[1]。

1 圓環鏈和鏈輪嚙合模型

由于圓環鏈節距的存在，鏈條在傳動過程中存在上下跳動的情況，鏈條的上下跳動加重了鏈條與鏈輪之間的磨損，如圖1 所示為刮板輸送機鏈傳動結構剖面示意圖，鏈條與鏈輪之間嚙合較好，可傳遞較大的載荷。傳動模型的主要結構參數包括鏈輪齒數N、圓環鏈的寬度尺寸b、圓環鏈的節距p。根據齒輪的幾何參數關系，可以表示出鏈輪的節圓直徑D0如下式所示：

圖1 鏈輪的齒形及基本尺寸（單位：mm）

其中鏈輪的節距角度θ=360/（2N），De=D0+2d，圓環鏈與鏈輪的其他參數在此不再一一列舉。

刮板輸送機的鏈條與鏈輪之間嚙合最復雜的區域就是鏈窩結構，它對于鏈條的傳動平順性具有重要影響。根據輸送機的額定功率以及實際的需求，設計選擇鏈輪與鏈輪的尺寸與結構，在此采用的是Φ34×126的標準圓環鏈條[2]。

2 鏈條的傳動特點

鏈輪是主動件，在刮板輸送機工作過程中，主要依靠鏈條帶帶動不同的刮板。刮板推動著貨物的運輸，而刮板將貨物的重量載荷等傳遞到鏈輪之上，由此在鏈條與鏈輪之間產生巨大的接觸力，因此鏈條與鏈輪結構的可靠性對提高設備的使用壽命具有重要意義。鏈條由立環和平環組成，在工作狀態鏈條的傳動邊被稱作緊邊，另一側被稱為松邊。如下頁圖2所示，為鏈條的傳動結構示意圖，在鏈條與鏈輪傳動工作時，平環主要負責與鏈輪的嚙合，立環的主要作用則是連接兩個相鄰的平環，并傳遞載荷[3]。

圖2 鏈條擬合結構示意圖

由于鏈條節距的存在，鏈條傳動并不是連續穩定的，鏈條在繞鏈輪旋轉過程中會產生明顯的節律性的跳動現象，對整個設備會產生較大的沖擊，同時產生較大的噪音。由于輸送機使用強度大，鏈條與鏈輪常發生各種類型的故障，鏈輪常見的失效形式包括過度磨損、齒根斷裂、壓潰等故障。鏈條主要存在的故障類型包括鏈環斷裂、過度磨損等。鏈條在產生磨損后，可能節距等參數會發生改變，近一步導致鏈條與鏈輪的結構磨損并產生噪音，模擬分析鏈條與鏈輪的嚙合特征，有助于了解嚙合的特點，提高設備的使用壽命[4]。

3 分析模型的建立

模型的分析選擇了ANSYS LS-DYNA，該分析軟件基于有限元分析理論，具有強大的非線性處理能力，下面對分析模型的建立做簡要說明。

1）三維模型。根據設備的工程圖紙建立刮板與鏈條的三維模型。導入到S-DYNA 中后，對模型的邊界條件、載荷以及網格劃分進行處理，并實現對模型的有限元分析[5]。

2）材料的設置。已知鏈輪的材料為30CrMnTi，其楊氏彈性模量為2.07×1011Pa，密度為7.86×10-6kg/mm3，泊松比為0.3，屈服極限為2.3×109Pa，剪切模量為5.6×105Pa；刮板輸送機鏈條材料為23Mn-CrNiMo，泊松比為0.25，彈性模量為210 GPa。

3）網格處理。鏈條與鏈輪之間存在比較復雜的嚙合關系，如果想要獲得比較理想真實的仿真結果，應盡可能接近設備的實際受力與工作狀態。在對模型進行網格處理時，先建立鏈條與鏈輪之間的接觸關系，采用SOLID64 單元。考慮到模型的計算時間以及計算機的計算能力，采用四面體網格進行劃分，盡量細化處理局部網格，以提高模型的計算精度[6]。

4）邊界條件。首先需要設置鏈條上平環與立環之間的無摩擦接觸，然后約束鏈輪中心位置的位移，僅保留其沿軸向方向的轉動。對纏繞在鏈輪上的圓環鏈條的兩端上施加不同的波動載荷，鏈條與鏈輪應設置一個旋轉的初速度，鏈輪和鏈條的平環與立環之間均設置接觸約束，假設鏈條與鏈輪都是彈性體但不能侵入對方網格，最后設置好模型仿真的時間以及步長。根據刮板輸送機的實際生產中的使用情況，取圓環鏈的初始張力為2.35 kN，仿真時間設置為1.2 s，步長取0.1 s；初始狀態下鏈輪的旋轉速度為0.09 rad/s。

4 仿真結果

對刮板輸送機鏈輪鏈條的傳動模型進行分析，分別計算分析了鏈輪與鏈條耦合模型的位移、速度、加速度的分布情況，下面分別對三種計算結果進行簡要說明。

4.1 位移計算結果

如圖3 所示為鏈輪嚙合模型的位移云圖。根據計算結果可知圓環鏈條的位移值從鏈輪的最下端到其頂部的過程中，位移從最大值慢慢遞減到最小值，說明鏈條在嚙如鏈輪時逐漸受到較大的拉力作用，鏈輪做順時針轉動，初始的嚙合位置受到的拉力最大，因而產生的變形也就最大。計算結果中可以看出，位移最大值為0.217 m，最小位移為0.019 m，最大位移值與最小位置出現的位置與刮板輸送機實際結構相符。

圖3 鏈傳動系統嚙合位移（mm）云圖

4.2 速度計算結果

如圖4 所示為鏈傳動模型的整體速度分析結果。鏈條的速度也是下端大于鏈輪上端的速度，最大速度為0.895 m/s，最大速度位置在鏈條剛嚙入鏈輪的位置，最小速度為0.007 5 m/s。鏈條的速度與其位移的計算結果分布比較相似，這也是驅動鏈輪首先嚙入端受力最大的原因，鏈條與鏈輪之間的載荷傳動具有一定的局限性。

圖4 鏈傳動系統嚙合速度（mm/s）云圖

4.3 加速度計算結果

根據對模型的分析計算，得到了圓環鏈與鏈輪在嚙合過程中整體的加速度分析結果，刮板輸送機傳動系統在嚙合齒輪頂部產生了較大的加速度，根據計算結果分布來看，立環上的加速度要小于平環，因為平環直接與鏈輪作用，產生向前的驅動力，平環的載荷較立環更加復雜。在鏈條的傳動過程中，加速度大的區域所受的載荷也就相應越大，在立環與平環之間的連接處以及鏈輪鏈窩等位置均出現了較大的應力，見圖5。

圖5 鏈傳動系統嚙合加速度（m/s）云圖

5 結論

為了研究刮板輸送機鏈條與鏈輪之間載荷傳遞關系，對其嚙合過程有一個比較深的認識，基于大型非線性有限元分析軟件LS-DYNA 對鏈輪耦合模型進行仿真分析。根據計算的結果可以得到結論：鏈條的立環與平環受力情況并不一致，平環直接參與到鏈條與鏈輪之間的載荷傳遞，因此具有更加復雜多變的載荷情況，鏈環彎臂和直臂過渡區域、鏈環相互接觸的區域一般會產生較大的作用力。鏈輪上作用力較大的位置主要集中在鏈輪鏈窩位置，因此為了防止鏈輪的鏈齒的齒根位置發生斷裂，應在鏈輪的結構設計中重點考慮該區域的優化。該研究結論對了解鏈條鏈輪之間的嚙合特征具有重要參考作用，對減少鏈輪和鏈環的磨損，延長刮板輸送機的工作壽命具有重要作用。