基于ADAMS 的刮板輸送機多工況動力學特性仿真分析

高永亮

（晉中職業技術學院，山西 晉中 030600）

引言

刮板輸送機為綜采工作面與采煤機、液壓支架相互配套使用的運輸設備，為采煤機提供運行軌道，為液壓支架提供推溜動力，其承擔著承上啟下的角色。在多年技術引進、技術研發的基礎上我國刮板輸送機產品在使用性能、壽命等方面已經可滿足實際生產的需求。但是，鑒于綜采工作面生產效率的不斷提升，對其在復雜工況下整體的動力學特性提出了更高的要求，尤其是在鏈輪與鏈條、減速器齒輪以及刮板與中部槽的傳動等方面；同時，掌握刮板輸送機的卡鏈原因并掌握其運行狀態也非常有必要[1]。本文將通過數值模擬方式對刮板輸送機在復雜工況下的動力學特性進行研究。

1 刮板輸送機概述

刮板輸送機作為綜采工作面的運輸設備之一，其不單單承擔工作面的運輸任務，還為采煤機提供行走軌道，為液壓支架提供推溜支點。普通刮板輸送機的結構如圖1 所示。

圖1 普通刮板輸送機的結構

本文所研究刮板輸送機的型號為SGB420/17，該刮板輸送機為雙邊鏈，鏈條的尺寸規格為14 mm×50 mm，中部槽的尺寸規格為1 200 mm×420 mm×150 mm。在實際生產中，該刮板輸送機的額定運輸量為50 t/h，刮板鏈的平均傳動速度為0.78 m/s。

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。

2 虛擬樣機模型的搭建

刮板輸送機與采煤機、液壓支架統稱為綜采工作面的“三機”，其具有復雜的運行模式和受力特性，主要表現在以下幾個方面：

1）由于綜采工作面生產條件復雜、環境惡劣，除了煤層片幫等惡劣工況的影響外，刮板輸送機運輸負載會隨著采煤機的往復運動、截割深度的變化以及液壓支架的推移等運動狀態發生變化。

2）在刮板輸送機結構方面，鏈條和鏈輪之間的傳動由于存在多變效應導致鏈條的運動模式更加復雜，其對應的受力情況也相對復雜。同時，鏈條會發生彈性拉長加劇了鏈條的復雜性。

鑒于上述兩項主要原因，本節將基于ADAMS 軟件對刮板輸送機的動力學特性進行仿真分析，重點對不同運行阻力、不同運行速度以及不同地形條件等工況下的差異性特性進行分析。

兼顧數值模擬分析的速度和結果準確性兩項因素，在刮板輸送機整體模型的基礎上對其進行簡化處理，簡化后的虛擬樣機模型如下頁圖2 所示。

如圖2 所示，本次仿真分析的主要對象為刮板輸送機的鏈傳動系統，重點包括有刮板輸送機鏈傳動系統中的驅動鏈輪、從動鏈輪、平環以及立環等[2]?；谏鲜鎏摂M樣機模型的仿真背景為復雜工況，包括鏈速分別為0.2 m/s、0.4 m/s、0.6 m/s 和0.8 m/s；鏈傳動載荷分別為20 kN、30 kN 和40 kN；地形傾角分別為2°、4°、6°、8°以及10°。設定仿真時間為3 s。

圖2 刮板輸送機鏈傳動虛擬樣機模型

3 仿真結果分析

在上述仿真條件設置的基礎上通過對不同工況下的結果進行分析得出對應的仿真結論，為后續研究奠定基礎。

3.1 不同鏈速工況下刮板輸送機動力學特性分析

對鏈速分別為0.2 m/s、0.4 m/s、0.6 m/s 和0.8 m/s時對應刮板輸送機機尾鏈輪的轉速進行仿真對比研究。設定刮板輸送機鏈速采用step 函數進行啟動，啟動開始0.5 s 后鏈速達到預設的要求。仿真結果如圖3 所示。

圖3 不同鏈速對應刮板輸送機機尾鏈輪的轉速對比

如圖3 所示，從整體上分析刮板輸送機機尾鏈輪的轉速與機頭鏈輪的基本區域一致。在0～0.1 s 的時間間隔內，由于重力因素的影響導致其鏈條松弛，從而導致機尾鏈輪出現反向運動的情況。當機尾鏈輪轉速在0.5 s 后趨于穩定后，受到鏈輪多邊效應的影響，隨著鏈速的增加對應機尾鏈輪轉速也出現了頻率更高的周期性波動[3]。

3.2 不同載荷工況下刮板輸送機動力學特性分析

對載荷分別為20 kN、30 kN 和40 kN 時對應刮板輸送機機頭鏈輪轉矩進行仿真對比研究。設定刮板輸送機的鏈速為0.8 m/s。仿真數據如表1 所示。

如表1 所示，隨著刮板輸送機載荷的增加對應機頭鏈輪的轉矩增加，振動幅度也相應增加；而機頭鏈輪轉矩波動周期與其載荷大小無關，波動周期平均為0.130 s。

表1 不同載荷對應刮板輸送機機頭鏈輪轉矩對比

3.3 不同地形傾角工況下刮板輸送機動力學特性分析

以機頭鏈輪的中心為軸心，分別對地形傾角分別為2°、4°、6°、8°以及10°工況下刮板輸送機鏈環間接觸力的變化情況進行仿真分析。本次仿真設定載荷為30 kN，刮板輸送機鏈速為0.8 m/s，仿真結果如圖4 所示。

圖4 不同地形下刮板輸送機鏈環間接觸力變化

如圖4 所示，在2 s 的仿真時間前，刮板輸送機鏈環間的接觸力與地形的傾角大小無關，這是由于鏈環此時位于刮板輸送機的緊邊運行；而當鏈環運行至刮板輸送機的松邊時，刮板輸送機鏈環間接觸力的變化處于無規律的、雜亂交替的變化趨勢，與地形傾角無直接關系[4-5]。因此，通過仿真分析可知，刮板輸送機鏈條間接觸力與其所運行地形的傾角無關。

4 結論

刮板輸送機為綜采工作面生產中實現采煤機、刮板輸送機一體化工作的中間紐帶，其對綜采工作面的生產具有不可替代的作用。為提升刮板輸送機的運輸效率和可靠性，開展對刮板輸送機動力學特性的研究非常有必要；本文在此基礎上設計了一款可對刮板鏈安全運行狀態監測的裝置，從而達到預防卡鏈事故發生的目的。具體總結如下：

1）受到鏈輪多邊效應的影響，隨著鏈速的增加對應機尾鏈輪轉速也出現了頻率更高的周期性波動。

2）隨著刮板輸送機載荷的增加對應機頭鏈輪的轉矩增加，振動幅度也相應增加；而機頭鏈輪轉矩波動周期與其載荷大小無關，波動周期平均為0.130 s。

3）刮板輸送機鏈條間接觸力與其所運行地形的傾角無關。