刮板輸送機鏈傳動系統動態特性研究及優化建議

杜 康

（山西鄉寧焦煤集團燕家河煤業有限公司， 山西 臨汾 042100）

引言

刮板輸送機為采煤機行走提供軌道，為液壓支架推溜提供支撐。經統計，刮板輸送機故障占據整個綜采工作面的40%以上，而且絕大多數事故是由于刮板鏈的故障所引起的。刮板鏈的事故主要表現為卡鏈、斷鏈以及掉鏈等[1]。究其原因在于，刮板輸送機在實際運輸過程中工況復雜，刮板鏈會承受較大的應力，從而導致較大的變形。因此，有必要開展刮板輸送機鏈傳動系統動態特性研究，并以此為基礎對刮板鏈進行優化。

1 刮板輸送機鏈傳動系統建模

刮板輸送機作為綜采工作面的綜合機電設備，其結構復雜，且各個部件之間的關聯性較大。同時，考慮到仿真計算速度，在不影響仿真準確度和精度的情況下，對刮板輸送機鏈傳動系統建模時，對模型進行簡化處理[2]。本文所研究刮板輸送機型號為SGB420/17，該型刮板輸送機的關鍵技術參數如表1 所示。

表1 SGB420/17 刮板輸送機關鍵技術參數

結合刮板輸送機鏈傳動系統的整個結構，對模型作出如下簡化：

1）本文所研究刮板輸送機的鏈傳動系統為雙鏈型式，由于鏈傳動系統為左右對稱結構，因此，搭建模型時僅選擇其中一邊的鏈條和鏈輪為研究對象。

2）本文的研究重點為刮板輸送機的鏈傳動系統，因此，對于與鏈傳動系統影響不大的部件可簡化忽略不計。

結合表1 中SGB420/17 型刮板輸送機關鍵部件的參數，分別單獨建立圓環鏈、驅動鏈輪等零部件的模型。根據各零部件分別完成圓環鏈條裝配模型、圓環鏈與驅動鏈輪裝配模型，最終建立了刮板輸送機鏈輪傳動系統的裝配模型，如圖1 所示。

圖1 刮板輸送機鏈輪傳動系統仿真模型

2 刮板輸送機鏈傳動系統的仿真分析

2.1 刮板輸送機鏈傳動系統的動力學仿真分析

基于圖1 的刮板輸送機鏈輪傳動系統的仿真模型，根據實際參數完成模型材料的定義，并設置約束條件、邊界條件等，對圓環鏈與刮板輸送機主動鏈輪和從動鏈輪的接觸力進行仿真分析，仿真結論如下頁圖2 所示。

圖2 中，不同的曲線分別代表鏈輪相鄰兩個齒的受力情況。如圖2-1 所示，圓環鏈與主動鏈輪在1.5 s時接觸，此時二者的接觸力瞬間增大至7.1 kN，經過0.75 s 后二者之間的接觸力降為0，即實現了主動鏈輪與圓環鏈的嚙合接觸。如圖2-2 所示，圓環鏈與從動鏈輪在2.75 s 時接觸，二者接觸力變化曲線與主動鏈輪和圓環鏈接觸力的變化趨勢一致。

圖2 圓環鏈與主動、從動鏈輪的接觸力仿真結果

同時，圓環鏈與主動鏈輪和從動鏈輪完全接觸后，在初始啟動階段鏈輪所承受的載荷較大，并且在很短的時間內達到了最大值[3]。通過仿真分析可知，在啟動階段鏈輪與圓環鏈之間的應力值最大且為平穩運行階段的2.3 倍，具體數值為8.53 MPa。

通過對刮板輸送機鏈傳動系統的動力學仿真分析可得出如下結論：

1）刮板輸送機鏈傳動系統在啟動瞬間，圓環鏈會承受非常大的載荷沖擊，與主動鏈輪和從動鏈輪之間的接觸力達到最大，并發生一定的變形。雖然，此種變形在合理范圍之內，但是仍會對鏈傳動系統的使用壽命造成影響。隨著圓環鏈從緊邊運行至松邊，其所承受的載荷和振動情況表現為多邊效應的交替變化。

2）當圓環鏈從彎曲段向直線段過渡時，該部位承受的應力最大，而且圓環鏈內側應力大于外側應力。

2.2 刮板輸送機圓環鏈的有限元分析

刮板輸送機鏈傳動系統在作用過程中，各級圓環鏈相互接觸的特性也處于動態變化狀態。因此，本節基于ADAMS 軟件對圓環鏈的接觸非線性變化情況進行仿真分析。建立各級圓環鏈的基礎模型，并在模型中對圓環鏈的材料屬性進行設置，完成網格劃分和邊界條件設計等操作后，重點對各級圓環鏈在實際工作中的應力和變形進行仿真分析，仿真結果如圖3 所示。

如圖3-1 所示，各級圓環鏈接觸點的應力處于動態變化情況，當圓環鏈從彎曲段向直線段過渡時，圓環鏈之間的接觸應力最大可到808.3 MPa，而且在被動端受到沖擊的應力變化更明顯。如圖3-2 所示，右側圓環鏈的變形值最大，最大可到1.473 mm；最左側圓環鏈的變形值最小，為0.114 mm。

圖3 各級圓環鏈接觸非線性仿真結果

3 刮板輸送機鏈傳動系統的優化建議

1）保證刮板輸送機鏈傳動系統的各級傳動鏈必須相互配對，一旦其中一級圓環鏈長度與其他圓環鏈不一致或不匹配，尺寸較小的圓環鏈將要承受更大的負載，從而影響整機的傳動效率。

2）在上述仿真結果分析的基礎上可知，圓環鏈從彎曲段向直線段過渡的位置應力及變形最大，而且內側的應力值大于外側。因此，可重點對圓環鏈與刮板鏈嚙合的鏈窩處相關尺寸進行優化，保證鏈傳動系統整體的強度和耐磨性，提升整機的傳動性能。

4 結論

1）在啟動階段鏈輪與圓環鏈之間的應力值最大且為平穩運行階段的2.3 倍，具體數值為8.53 MPa。

2）當圓環鏈從彎曲段向直線段過渡時，此時的圓環鏈在該部位承受的應力最大，而且圓環鏈內側應力大于外側應力。

3）當圓環鏈從彎曲段向直線段過渡時，圓環鏈之間的接觸應力最大可到808.3 MPa。右側圓環鏈的變形值最大，最大可到1.473 mm；最左側圓環鏈的變形值最小，為0.114 mm。

4）鏈傳動系統必須保證各級圓環配對，今后重點對圓環鏈的鏈窩處尺寸進行優化。