白鵬飛

（山西新景礦煤業(yè)有限責任公司，山西 陽泉 045000）

引言

刮板輸送機是煤炭綜采工作面的關鍵設備，在工作過程中作往復循環(huán)式傳動，工作強度高，作業(yè)環(huán)境差，所以在重載工況下，其關鍵部件如鏈條、鏈輪等零件容易損耗甚至被破壞。據(jù)相關的統(tǒng)計資料顯示，刮板輸送機鏈條的故障占所有故障的42%左右，是第一大故障源[1-2]，因此對鏈條動態(tài)分析十分有必要。

1 鏈輪傳動特點分析

刮板輸送機作為一種重要的往復式輸送裝備，在重載條件下運行，存在比較明顯的結(jié)構(gòu)損耗。刮板輸送機結(jié)構(gòu)特點決定了其傳動鏈條系統(tǒng)在工作過程中會受到周期性變化的載荷作用，同時會受到落煤對其所產(chǎn)生的動載荷作用，可見刮板輸送機所承受的隨機載荷較大，其中部槽容易變形或刮板鏈條損耗加重，使用壽命大大降低。

SGB380型刮板輸送機的傳動系統(tǒng)為雙驅(qū)動輪型，機頭參與嚙合的鏈條平環(huán)在自身重力、摩擦力以及鏈輪驅(qū)動力作用下產(chǎn)生滑移，這也加重了鏈條與鏈輪之間的磨損。在整個嚙合的過程中，鏈條與鏈輪之間始終處于接觸狀態(tài)，按鏈條與齒輪嚙合的動作的不同可以分為初始嚙合狀態(tài)、嚙合狀態(tài)、嚙出狀態(tài)[3]。圖1所示為刮板鏈條傳動仿真模型，該動態(tài)仿真模型包括中部槽、立環(huán)、平環(huán)、鏈輪以及刮板等結(jié)構(gòu)。

圖1 刮板鏈傳動仿真模型

2 模型的建立

在刮板輸送機的運轉(zhuǎn)過程中，由于隨機工作載荷的沖擊加上鏈條自身結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，導致鏈條受載荷波動影響大，為了降低鏈條在運轉(zhuǎn)嚙合過程中的不平順性，從動態(tài)結(jié)構(gòu)仿真分析入手，以獲取鏈條與鏈輪在嚙合過程中的應力變化情況。將平環(huán)1、立環(huán)1，平環(huán)2、立環(huán)2作為分析對象（見圖2），在鏈環(huán)上布置速度與加速度傳感器。

圖2 仿真模型鏈條初始位置

考慮到在刮板輸送機的運轉(zhuǎn)過程中，鏈條在初始嚙合階段所受的應力大，容易產(chǎn)生疲勞斷裂，因此在仿真模型中對初始嚙合階段區(qū)域內(nèi)鏈環(huán)進行標記，在每個鏈環(huán)上均設置標記點，由此獲取標記點應力變化信息[4]。

應用Creo軟件創(chuàng)建鏈條與鏈輪模型，首先對模型的材料以及耦合關系、載荷情況進行設置：

1）材料設置：按結(jié)構(gòu)要求設置鏈輪與鏈條的材料參數(shù)。圓環(huán)鏈的材料是23MnCrNiMo，泊松比μ=0.25，彈性模量E=210 GPa；驅(qū)動鏈輪的材料為30GrMnTi，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3。據(jù)此對模型部件賦予相應的材料屬性[5]。

2）耦合關系：在動態(tài)仿真模型中，對結(jié)構(gòu)的相對關系做了簡化處理，中部槽和底槽均被固定于大地上，在刮板與平環(huán)之間設置固定約束，在平環(huán)與立環(huán)之間接觸位置設置無摩擦接觸，在平環(huán)與鏈輪接觸區(qū)域設置無摩擦接觸，在驅(qū)動鏈輪上施加轉(zhuǎn)動的動力。

3）載荷與約束：約束鏈輪所有位移以及除軸向方向的旋轉(zhuǎn)自由度，沿鏈輪軸向施加一個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩，在鏈輪與鏈條之間設置無摩擦接觸，對鏈條與鏈輪設置嚙合[6]。

3 鏈條仿真結(jié)果的分析

當設置鏈輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)速為14 r/min時，對該鏈條的仿真結(jié)果進行分析。提取模型中鏈條標記點的應力信息，根據(jù)嚙合過程時刻的不同將仿真過程分為6個時刻[7]，分別對每個時刻鏈條狀態(tài)進行分析。圖3所示為在鏈條動態(tài)嚙合過程中立環(huán)1與平環(huán)1的等效應力云圖。

圖3 立環(huán)1與平環(huán)1各狀態(tài)仿真分析結(jié)果

根據(jù)兩個相臨鏈環(huán)的應力分布情況可知，鏈條的應力變化情況與鏈輪嚙合密切相關，立環(huán)相較于平環(huán)應力值更大。由于在嚙合過程中立環(huán)并未直接參與嚙合，但受到前后兩個平環(huán)的作用，在平環(huán)內(nèi)也產(chǎn)生了較為明顯的應力。根據(jù)計算仿真結(jié)果，可以簡述為：

1）在第0.1 s時，鏈條進入初始嚙合狀態(tài)，即平環(huán)1開始與鏈輪的鏈齒相接觸，此時由于旋入的角度不大，平環(huán)應力大于立環(huán)，且最大應力值點位于平環(huán)與立環(huán)相互接觸的區(qū)域，如圖3-1所示；

2）在第0.6 s時，刮板鏈條已經(jīng)旋入鏈條，平環(huán)與鏈輪處于穩(wěn)定嚙合狀態(tài)，此時平環(huán)1位于鏈輪的軸線之上，平環(huán)最大應力位于與立環(huán)接觸區(qū)域，立環(huán)最大應力位于與平環(huán)接觸的外側(cè)，如圖3-2所示；

3）在第1.2 s時，最大應力點重新回到兩環(huán)相互接觸區(qū)域，監(jiān)測的立環(huán)與平環(huán)位于鏈輪的左側(cè)，如圖3-3所示；

4）在第1.8 s時，平環(huán)處于嚙出狀態(tài)，鏈環(huán)最大應力值相較于前一時刻小一些，如圖3-4所示。

5）在第2.4 s時，平環(huán)已嚙出，立環(huán)處于與鏈輪底部槽相接觸的位置，鏈條最大應力值點位于立環(huán)底中部，如圖3-5所示；

6）在第3.0 s時，鏈條立環(huán)與平環(huán)已嚙出鏈輪，平環(huán)與立環(huán)接觸面積大幅減少，鏈條的應力降低，此時鏈條已經(jīng)進入松弛邊，如圖3-6所示。

根據(jù)仿真結(jié)果分析可知，立環(huán)1與平環(huán)1在由機尾向機頭運行時，鏈環(huán)上應力無明顯變化，之后鏈條在嚙合鏈輪時，在第0.1 s時立環(huán)上應力達到最大值，在第2.9 s時平環(huán)上應力達到整個鏈條嚙合過程中的最大值。

4 鏈條應力特性分析

根據(jù)刮板鏈條與鏈輪的動態(tài)仿真分析結(jié)果，如圖4所示的在嚙合階段鏈條立環(huán)1與平環(huán)1上監(jiān)測點應力分布情況，以及如圖5所示的立環(huán)1、平環(huán)1上監(jiān)測點在鏈條直線運行階段的應力分布情況，可以查看標記點在不同時刻應力變化曲線，以此更加直觀地了解鏈條應力的分布特點，對鏈條的結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化具有重要的參考意義。

圖4 嚙合段等效應力與時間關系

圖5 直線段等效應力與時間關系

如圖4所示：在初始嚙合階段鏈條鏈環(huán)上應力波動情況相對一致，平環(huán)標記點2位置應力最大，標記點1應力最??；而在1.5 s之后，鏈條各標記點應力波動較小，與鏈條實際嚙合的情況相似。

如圖5所示：所有標記點在0.1 s左右應力達到最大值；之后，直線段內(nèi)運行的鏈條上各標記點應力均無較大變化。與鏈條實際嚙合情況類似，當鏈條在嚙出進入直線段后，鏈條處于松弛段。

5 結(jié)論

在刮板輸送機動態(tài)運行中，很難根據(jù)刮板鏈條與鏈輪之間的靜強度分析來判斷鏈條的應力分布情況。通過建立動力學仿真模型，動態(tài)分析鏈條在嚙合過程中的應力變化情況，可得到仿真分析結(jié)果，為刮板輸送機結(jié)構(gòu)設計提供理論參考，對提高鏈條可靠性以及輸送機整體的使用性能具有重要意義。