徐貴旭

(山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030013)

0 引言

電纜拖拽裝置是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)電纜往返運(yùn)動的主要設(shè)備，惡劣的工作環(huán)境以及落煤等外載荷沖擊力的長期作用，會造成采煤機(jī)電纜掉槽、拉斷或者卡死等故障，嚴(yán)重影響采煤機(jī)的開采效率[1-4]。為了提高采煤機(jī)電纜傳動系統(tǒng)的可靠性，降低電纜拖拽裝置的故障率，本文對高河礦所用采煤機(jī)電纜拖拽裝置中的圓環(huán)鏈條進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，目的是為采煤機(jī)電纜拖拽裝置的安全可靠運(yùn)行提供指導(dǎo)。

1 采煤機(jī)電纜拖拽裝置結(jié)構(gòu)

圖1為采煤機(jī)電纜拖拽裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要由鏈條、支撐滑塊、電纜夾、滑動底座等零部件組成。工作過程中通過電機(jī)帶動主動鏈輪旋轉(zhuǎn)，從而使鏈條1沿采煤方向前后移動，進(jìn)而帶動拖拽裝置和電纜沿采煤機(jī)運(yùn)行方向運(yùn)動。當(dāng)采煤機(jī)上行開采時，拖拽裝置帶著電纜在采煤機(jī)前方運(yùn)動，當(dāng)采煤機(jī)開始下行開采時，拖拽裝置帶著電纜在采煤機(jī)后面運(yùn)動，整個開采過程中采煤機(jī)電纜只在圍繞電纜夾輪處形成一次彎曲，使得電纜在工作過程中既保證一定的張力又不會形成多次彎曲和折疊現(xiàn)象。

1-鏈條；2-鏟煤楔形塊；3-鏟煤板；4-滑動底座；5-鏈條連接板；6-支撐滑塊；7-電纜夾輪架；8-電纜夾輪；9-電纜夾

2 電纜拖拽裝置傳動系統(tǒng)選型

采煤機(jī)電纜夾作為輸送電纜運(yùn)動的輔助零件，運(yùn)動過程中不能承受較大的水平拉力作用。因此，一般的電纜小車都單獨(dú)設(shè)計(jì)有傳動系統(tǒng)，從而避免電纜夾的牽引帶動。高河礦井下工作面較長，且工作環(huán)境惡劣，在傳動系統(tǒng)中可以選用鏈傳動或者鋼絲繩傳動方式。本文設(shè)計(jì)中選擇鏈傳動作為拖拽裝置的傳動方式。

鏈條傳動過程中主動輪的理論驅(qū)動力F與電纜夾運(yùn)行阻力Ft、輪架運(yùn)行阻力Fg、鏈條的摩擦阻力F1之間存在如下關(guān)系[5]：

F=Ft+Fg+F1.

(1)

拖拽裝置動力部分圓環(huán)鏈選擇規(guī)格如下：鏈條型號規(guī)格為Φ18×64 mm，鏈條單重qk=64.68 N/m，鏈條破斷負(fù)荷FB=410 kN?？梢杂?jì)算得到主動鏈輪驅(qū)動力F=59.848 kN，對應(yīng)鏈輪齒數(shù)為6。

拖拽裝置需求功率為：

Px=Fv/η.

(2)

其中：v為拖拽小車的最大運(yùn)行速度，m/s；η為拖拽電機(jī)的效率。

一般拖拽小車的最大運(yùn)行速度取v=0.33 m/s，拖拽電機(jī)的效率為η=0.86，考慮到功率裕度后得到電機(jī)的計(jì)算功率Pz為：

(3)

通過計(jì)算得Pz=28.9 kW,綜合考慮選擇功率為30 kW、額定轉(zhuǎn)速為1 470 r/min的隔爆變頻三相異步電機(jī)。主動鏈輪扭矩值T為：

T=F×r.

(4)

其中：r為主動鏈輪的節(jié)圓半徑，取值0.123 m。

鏈輪的理論轉(zhuǎn)速為：

n=v/d.

(5)

其中：n為鏈輪轉(zhuǎn)速，r/min；d為鏈輪周長，m。

輸出的額定轉(zhuǎn)矩為：

Te=9 550Pzη/n.

(6)

驅(qū)動扭矩設(shè)計(jì)裕度：

f=Te/T.

(7)

鏈條的安全系數(shù)：

s=FB/(2.2Pzη/v).

(8)

通過式(3)～式(8)可以得到本文選用型號鏈條的計(jì)算結(jié)果，如表1所示。由表1可知，所選圓環(huán)鏈滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 Φ18×64 mm圓環(huán)鏈計(jì)算結(jié)果

3 仿真分析

圓環(huán)鏈傳遞具有傳遞功率大、效率高的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)井下較為惡劣的工作環(huán)境，但同時鏈條傳遞由于其運(yùn)動速度的變化，會造成鏈條上下擺動并引起一定的振動，鏈條節(jié)距越大，齒數(shù)越少，振動就越強(qiáng)烈[6]，因此需要對圓環(huán)鏈在工作過程中的受力情況進(jìn)行分析。本文首先應(yīng)用Pro/E軟件對圓環(huán)鏈和鏈輪進(jìn)行三維建模，然后應(yīng)用RecurDyn軟件對其進(jìn)行仿真分析。建立的鏈傳動系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

圖2 鏈傳動系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)實(shí)際情況，仿真過程設(shè)置鏈輪的驅(qū)動速度為3 rad/s，系統(tǒng)運(yùn)行最大阻力為59.848 kN，鏈輪半徑為123 mm，計(jì)算可得鏈輪受到的負(fù)載扭矩為7×103N·m，在仿真分析中選擇鏈條松邊某一鏈環(huán)作為研究對象。

圖3為鏈環(huán)質(zhì)心速度曲線。從圖3可以看出：在鏈傳動系統(tǒng)啟動的0 s～0.3 s內(nèi)，鏈環(huán)質(zhì)心速度存在劇烈波動，出現(xiàn)速度峰值約為2.9 m/s，之后鏈環(huán)速度逐漸恢復(fù)平穩(wěn)，說明鏈環(huán)在啟動瞬間受到較大沖擊作用，由于鏈環(huán)處于松邊，因此速度變化幅值較大；在1 s～1.5 s時間段出現(xiàn)了小幅波動，表明此時鏈環(huán)與從動輪逐漸嚙合，由于接觸力的作用出現(xiàn)了速度上下波動；當(dāng)運(yùn)行至2 s左右時，鏈環(huán)速度出現(xiàn)較大波動，此時鏈環(huán)與從動鏈輪嚙合逐漸分離，進(jìn)入鏈條緊邊，鏈條傳動中的多邊形效應(yīng)造成了鏈環(huán)的抖動；在運(yùn)行至3.5 s左右時，鏈環(huán)速度出現(xiàn)了嚴(yán)重波動，說明此時鏈環(huán)脫離主動鏈輪的嚙合，開始進(jìn)入鏈條的松邊運(yùn)行，鏈環(huán)接觸力突變，加上鏈條的多邊形效應(yīng)，使得鏈環(huán)形成較大振動。

圖3 鏈環(huán)質(zhì)心的速度曲線

圖4為鏈環(huán)與主動鏈輪接觸力變化情況。從圖4可以看出：在0 s～2.2 s時，由于鏈環(huán)與主動鏈輪不接觸，因此接觸力為零；2.2 s以后鏈環(huán)與主動輪開始嚙合，兩者之間的接觸力迅速增大，并且在2.5 s左右達(dá)到最大值；之后隨著嚙合分離，接觸力逐漸變小，3.5 s后接觸力變?yōu)榱?，鏈環(huán)進(jìn)入松邊運(yùn)行。

圖5為鏈環(huán)與從動鏈輪接觸力的變化情況。從圖5可以看出：大約在0.3 s時鏈環(huán)與從動鏈輪開始接觸，鏈環(huán)接觸力開始迅速升高，在1 s左右達(dá)到最大值，并在1.4 s左右與從動鏈輪接觸脫離，接觸力迅速減低。

圖4 鏈環(huán)與主動鏈輪間的接觸力

圖5 鏈環(huán)與從動鏈輪間的接觸力

圖6為鏈環(huán)與相鄰鏈環(huán)之間接觸力變化情況。從圖6可以看出：在0 s～0.3 s鏈條開始運(yùn)行瞬間，由于鏈輪啟動帶來較大的交變載荷，造成相鄰鏈環(huán)之間的接觸力迅速增大，并且達(dá)到最大值54 kN左右；在1.4 s左右，鏈環(huán)開始與從動鏈輪進(jìn)行嚙合接觸，因此可以看到相鄰鏈環(huán)間的接觸力降低；在運(yùn)行至2 s左右，鏈環(huán)進(jìn)入緊邊運(yùn)行，相鄰鏈環(huán)間接觸力出現(xiàn)增大；2.5 s時，鏈環(huán)與主動鏈輪接觸，接觸力再次減小。

圖6 鏈環(huán)與相鄰鏈環(huán)接觸力

4 結(jié)論

本文對采煤機(jī)電纜拖拽裝置中的鏈條進(jìn)行選型和計(jì)算，在Pro/E中建立了圓環(huán)鏈傳動三維模型，并應(yīng)用RecurDyn軟件對鏈傳動過程進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，通過上述分析可知：

(1) 鏈條傳動系統(tǒng)在啟動時，由于鏈輪交變載荷作用使得鏈環(huán)受到較大的沖擊載荷作用，并且此時相鄰鏈環(huán)之間的接觸力出現(xiàn)峰值。

(2) 在運(yùn)行過程中，由于鏈條傳動存在多邊形效應(yīng)，會加大鏈環(huán)傳遞過程中的振動，加劇鏈環(huán)與鏈輪的接觸力波動。

分析表明鏈環(huán)運(yùn)行過程中的彈性變形和系統(tǒng)慣性狀態(tài)的改變是鏈條啟動時振動較大的主要原因，而鏈條穩(wěn)定運(yùn)行后鏈傳動本身的多邊形效應(yīng)是其振動的主要原因。