刮板輸送機鏈傳動系統運動分析與受力仿真

武云飛

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭煤礦，山西 太原 030052）

引言

刮板輸送機是工作面三機中的重要組成部分，一方面，可通過其上循環運行的刮板將采煤機采落的原煤拉移輸送至機頭部并卸載；另一方面，可為采煤機的移動提供行走軌道和支撐。因此，刮板輸送機的綜合性能和工作穩定性對煤礦綜采工作面的安全高效生產有較大影響[1-3]。在實際生產中，由于刮板輸送機工況環境惡劣、工作負荷大、工作時間長，因此其鏈傳動系統發生斷鏈、斷齒等故障的概率仍然較高，易造成設備停機或周邊其他設備損壞。為進一步掌握輸送機鏈傳動系統零部件的受力狀況，本文將通過理論分析和仿真模擬等方法對其進行分析。

1 鏈傳動系統分類

刮板輸送機鏈傳動系統常見分類包括中單鏈、邊雙鏈和中雙鏈三種，特點如下：

1）中單鏈刮板輸送機：是指在輸送機中心線上只有一條鏈條，鏈條上間隔固定的刮板推移運輸物料。這種鏈傳動系統結構簡單，中部槽隨工作面推進時鏈條可較好適應S形彎曲，因此鏈條受力均勻，但缺點在于單鏈的傳動功率有限，過煤量較小，因此無法在大功率采煤機上應用；

2）邊雙鏈刮板輸送機：為提高輸送機的運輸能力，發展了邊雙鏈刮板輸送機，即將兩鏈條布置在刮板長度兩側。這種結構對各種軟硬煤質的適應性較好，但可能因物料分布不均引起兩鏈條受力偏載，尤其是在輸送機S形彎曲段，容易出現跳鏈、掉鏈，甚至斷鏈等故障；

3）中雙鏈刮板輸送機：為解決中單鏈和邊雙鏈輸送機的問題，開發了中雙鏈刮板輸送機，它將兩鏈條以一定間隔布置在溜槽中部，即具有中單鏈靈活、易于彎曲、受力均勻的優勢，又具有雙鏈結構的較強運輸能力，因此在重型刮板輸送機上應用廣泛[4-6]。

2 鏈傳動運動學分析

鏈傳動系統的鏈條由平鏈環和立鏈環間隔連接而成，各平鏈環運動過程中正好嵌入鏈輪兩輪齒之間的鏈窩內，環狀鏈條分別與驅動鏈輪和從動鏈輪嚙合，循環往復。如圖1所示，由于輪齒等間隔分布，因此平鏈環與輪齒的嚙合點構成圖示多邊形，鏈環在沿多邊形軌跡運動時，其運動速度和加速度出現規律性波動，即所謂的多邊形效應。這種運動特性是鏈傳動系統發生張緊力波動和運行振動的根源，對零件的使用壽命造成較大影響。

圖1為鏈輪與鏈環嚙合的簡化示意圖，對于圖示鏈環的初始嚙合點，其瞬時速度v計算公式如下：

式中，v0為鏈輪在嚙合點處的瞬時線速度，m/s；R為嚙合點所在圓半徑，m；ω為鏈輪運行角速度，rad/s；φ為v0與v之間的夾角，由圖1可知，φ的大小介于-α0/2與α0/2之間，其中α0為鏈輪上輪齒中心角。

圖1 刮板鏈與鏈輪的嚙合多邊形示意圖

式（1）中，嚙合點半徑R和鏈輪角速度ω可視為常數，鏈輪轉動過程中，夾角φ周期性變化，因此刮板鏈的瞬時運動速度v也相應變化，具體表示如下：

同時刮板鏈的加速度a可表示為：

式（3）中加速度a呈正弦變化波動，加速度極大值amax=Rω2sin（α0/2），加速度變化范圍為-amax~+amax，因此刮板鏈運動過程中速度和加速度都隨夾角φ的變化而周期性波動，對接觸零件產生動載荷作用。

通過以上分析可知，減小輪齒中心角α0（增多輪齒數）可相應減小刮板鏈瞬時速度v和加速度a的波動幅度，從而減弱刮板鏈的沖擊。但隨著輪齒中心角α0的減小，鏈環斷面直徑和輪齒尺寸變小，鏈環和輪齒強度被削弱。因此，應綜合考慮以上因素，兼顧運行平穩性和設備使用壽命，選擇合適的鏈輪結構參數。

3 鏈傳動系統仿真建模

刮板輸送機鏈環與輪齒接觸條件復雜，適合選擇多體動力學軟件MSC.ADAMS進行分析。

3.1 模型尺寸

選擇SGB420/17型刮板輸送機為例進行建模，根據以往經驗，選擇圓環鏈規格為Φ14×50（GB/T 12718—2009）可滿足強度要求，同時相應鏈輪的運行平穩性較好。鏈環尺寸如圖2所示，為簡化模型，需忽略鏈環對接焊縫。根據鏈環尺寸選擇相應的驅動鏈輪，其基本尺寸如圖2所示。由于ADAMS軟件的建模能力有限，因此首先在UG中建立各部分模型，然后保存為中間格式后導入ADAMS中進行裝配。

圖2 鏈環及鏈輪建模尺寸（單位：mm）

3.2 材料定義

進行動力學仿真時，需要定義模型中所有零件的質量特性。尤其對于數量眾多的鏈環，采用逐個定義的方法較為費時，可采用宏命令對各零件的材料參數進行循環賦值。

3.3 邊界條件設定

在主動鏈輪上利用軟件內的STEP函數施加角位移驅動，驅動函數為STEP（time，0，0，2.5，385.8d）+STEP（time，2.5，0，3.5，0）+STEP（time，3.5，0，4，-385.8d），即在0~2.5 s內鏈輪旋轉角速度由0增大至385.8°/s，2.5~3.5 s內保持勻速，3.5~4 s內減速至零。另外，在鏈環上施加7 300 N運行阻力。

4 剛柔耦合動力學仿真分析

4.1 模型準備

按本文第3節設置，可建立鏈傳動系統的剛性體模型，但由于其忽略了諸多鏈環的彈性變形，因此仿真的準確性較差，不能真實反映鏈傳動系統的運動特性，有必要進一步將剛體轉化為柔性體。柔性體模型需先利用剛體模型計算得到系統的各階模態，再利用Abaqus有限元軟件對圓環鏈模型組件進行柔性化處理，然后再導入ADAMS軟件中生成剛柔耦合模型。在新的模型中，設置圓環鏈與鏈輪的接觸為柔性體與剛體接觸。

4.2 仿真結果分析

4.2.1 鏈環與鏈輪接觸力

圖3為仿真過程中，緊邊一側某平鏈環與主動鏈輪之間的接觸力變化曲線，實線和虛線分別表示同一鏈環長度兩端的接觸力由圖中曲線可知兩端的受力變化狀況基本一致。以實線側為例，在前1.45 s內，該鏈環未與鏈輪嚙合，而嚙合之后的接觸力快速提升至7 105 N，然后開始逐漸波動性減小，接觸力的顯著波動和緩慢下降是柔性圓環鏈的對動載荷的緩沖作用造成的。在約2 s前后，鏈環與鏈輪脫離接觸，接觸力變為零，所研究鏈環在此過程中從緊邊運行至松邊。

圖3 平鏈環與主動鏈輪接觸力曲線

4.2.2 鏈環應力分析

下頁圖4為圓環鏈的整體等效應力云圖，從緊邊側到松邊側，鏈環上的應力值呈逐漸遞減趨勢，原因是首先嚙合進入的2個平鏈環與驅動鏈輪上的鏈窩嵌合后，其后各鏈環之間的間隙逐漸增大，因此首先嚙合的2個平鏈環和兩者之間的立鏈環承載了大部分的運行阻力。鏈環材質為45鋼，許用應力為230 MPa。最大應力位于鏈環接觸位置，達到204 MPa，因此鏈環在與鏈輪初始接觸時容易發生強度破壞，尤其在輸送機啟動瞬間，柔性圓環鏈上存在較大的沖擊作用，更容易發生斷裂。

圖4 圓環鏈等效應力（MPa）云圖

4.2.3 鏈輪應力分析

圖5為驅動鏈輪上的等效應力分布云圖，可見在緊邊側，第一個平鏈環與鏈輪接觸的鏈窩內，出現明顯的應力集中現象，最大應力為528 MPa。鏈輪材質為42CrMo，許用應力為620 MPa。第二個平鏈輪對應的鏈窩內的應力逐漸減小，這也與圓環鏈的受力趨勢一致。在啟動沖擊力或周期性波動張力作用下，應力集中位置容易發生疲勞開裂，最終發生斷齒故障。

圖5 鏈輪等效應力（MPa）分布云圖

5 結論

1）刮板輸送機是煤礦井下的重要機電設備，但其工況環境惡劣，連續工作時間長，因此其鏈傳動系統容易發生斷鏈、斷齒等故障，在煤礦綜采機械智能化提升背景下，需進一步研究和掌握鏈傳動系統的受力和運行狀況；

2）本文首先分析了鏈傳動系統的動力學特性，提出圓環鏈與輪齒嚙合造成的多邊形效應是圓環鏈運動過程中速度、加速度和張緊力波動的根源，因此需將其作為鏈輪結構參數選擇的重要參考因素；

3）通過有限元軟件建立鏈傳動系統模型，分析可知，圓環鏈和主動鏈輪在緊邊側初始接觸位置的等效應力較大，向松邊側逐漸遞減，主動鏈輪的鏈窩位置存在應力集中現象，在啟動沖擊力和波動性張力作用下容易發生強度破壞。