陳亞梅

（常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引言

刮板式輸送機(jī)是以循環(huán)運(yùn)動(dòng)的刮板鏈條作為牽引構(gòu)件的一種連續(xù)運(yùn)輸機(jī)械，可輸送流動(dòng)性較好的散粒物料，廣泛應(yīng)用于冶金、采礦、糧食、電廠等場(chǎng)合。本文設(shè)計(jì)的刮板輸送機(jī)是一套爐渣灰處理配套設(shè)備，由于爐渣灰溫度較高，為給渣灰降溫并保證設(shè)備的工作溫度，輸送機(jī)設(shè)計(jì)成全封閉式結(jié)構(gòu)，采用水箱給輸送機(jī)槽底補(bǔ)水的方式降溫。其工作過(guò)程為由焚燒爐排下的爐渣經(jīng)灰斗向下進(jìn)入輸送機(jī)頭部，渣灰經(jīng)水封輸送得到降溫，輸送到尾部直接輸送至下方撈渣機(jī),最終至渣坑。該封閉式結(jié)構(gòu)的頭部、尾部采用箱式機(jī)構(gòu)密封，其它如連接法蘭處采用橡膠板和密封膠密封，確保整機(jī)密封，同時(shí)達(dá)到環(huán)保要求。

1 設(shè)計(jì)計(jì)算

該輸送機(jī)輸送物料為散裝渣灰，結(jié)構(gòu)下方設(shè)計(jì)為封閉機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)輸送量為1 t/h左右，設(shè)計(jì)帶速約為0.04 m/s，輸送機(jī)由于需要對(duì)輸送物料冷卻，傳輸距離也較長(zhǎng)，采用兩根鏈條同時(shí)安裝在同一根驅(qū)動(dòng)軸上，鏈輪輪齒相位一致。

輸送機(jī)牽引力(牽引鏈條的張力)的計(jì)算，根據(jù)輸送機(jī)的工作條件和線路布置的復(fù)雜程度確定牽引鏈條的最小張力FV。經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：B為地板寬度；LC為輸送機(jī)頭尾鏈輪間的水平距離；Q為輸送量，kg/h；v為鏈條運(yùn)行速度，m/s；ρ為物料的堆積密度，kg/m3；c為傾角系數(shù)，選值為0.85；φ1為物料動(dòng)堆積角，φ1=0.65φ，φ為物料的靜堆積角。

該型刮板設(shè)輸送機(jī)的設(shè)計(jì)采用“逐點(diǎn)輪廓計(jì)算法”，將布置線路分為若干個(gè)連續(xù)的區(qū)段，給出這些區(qū)段連接點(diǎn)的編號(hào)，逐點(diǎn)計(jì)算得出輸送機(jī)全程各區(qū)段連接點(diǎn)處的張力，每一點(diǎn)的張力等于前一點(diǎn)的張力與這兩點(diǎn)區(qū)段上輸送機(jī)所有運(yùn)行所需阻力之和。

傳動(dòng)鏈輪上所需的牽引力：

式中：Fu為牽引力；∑Fi為運(yùn)行阻力之和；Fn為傳動(dòng)鏈路鏈條繞入點(diǎn)的張力；Fv為牽引鏈條的初張力。采用張力法進(jìn)行鏈條選型計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)相關(guān)尺寸規(guī)格要求，繪制其輸送線路計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 該輸送機(jī)輸送線路計(jì)算圖

計(jì)算每米長(zhǎng)度計(jì)算質(zhì)量，再利用逐點(diǎn)張力計(jì)算法計(jì)算圓周驅(qū)動(dòng)力，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)功率，最后選擇電動(dòng)機(jī)與鏈條。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算運(yùn)行部分每米長(zhǎng)度質(zhì)量q0、物料的每米長(zhǎng)度質(zhì)量qM，承載分支每米長(zhǎng)度質(zhì)量q。

式中：B為底板寬度；T為相鄰物料輸送方向的平均間距；cO為底板系數(shù)。

采用逐點(diǎn)張力法計(jì)算驅(qū)動(dòng)圓周驅(qū)動(dòng)力，其中ω為阻力系數(shù)，g為重力加速度，選取以圖中1點(diǎn)為最小張力點(diǎn)，以此確定各點(diǎn)張力，如表1所示。

表1 牽引力逐點(diǎn)計(jì)算表 N

功率計(jì)算：

雖然逐點(diǎn)張力計(jì)算較為復(fù)雜，但計(jì)算結(jié)果較為精確，運(yùn)用此法設(shè)計(jì)的輸送機(jī)在實(shí)際中得到了很好的工況效果。通過(guò)計(jì)算結(jié)果來(lái)選取牽引鏈條，查取標(biāo)準(zhǔn)GB 8350-2008選取鏈條型號(hào)。選擇鏈輪齒數(shù)與設(shè)計(jì)鏈輪結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)整體機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，由于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算公式的不確定性，以及一些實(shí)際工況中的因素，比如含水率、渣灰物料的黏性、鏈條內(nèi)部的摩擦等，使得理論公式計(jì)算有時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差較大的情況，而傳動(dòng)組件的選型計(jì)算是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本文針對(duì)這種情況，對(duì)該輸送機(jī)在預(yù)設(shè)的最大工況下，其核心的輸送傳動(dòng)部件，如頭部鏈輪鏈輪軸、鏈條鏈板機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的可靠性。

2 輸送機(jī)頭部鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分析計(jì)算

輸送機(jī)頭部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示，其鏈輪、軸、鍵均采用40Cr材質(zhì)，鏈輪和軸為鍛件，鏈輪齒面為保證耐磨和壽命經(jīng)高頻淬火處理，頭尾軸采用整根軸并通過(guò)調(diào)質(zhì)處理，為保證傳動(dòng)，鍵材質(zhì)也選用40Cr，軸承采用調(diào)節(jié)量大的調(diào)心滾子軸承。

有限元分析在對(duì)整個(gè)頭部?jī)涉溳喪┘幼畲髽O限轉(zhuǎn)矩以及對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，如圖3、圖4所示，其整個(gè)傳動(dòng)的最大應(yīng)力應(yīng)變均發(fā)生在鏈輪與軸接觸處，傳動(dòng)方向都在右側(cè)，與實(shí)際情況相符合。頭部傳動(dòng)軸的最大應(yīng)力為877 MPa，變形為0.004 mm。鍵的最大應(yīng)力為525.7 MPa，最大變形為0.0028 mm，均小于材料的許用應(yīng)力。

圖3 頭部鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變

圖4 頭部鏈輪傳動(dòng)軸和鍵的應(yīng)力應(yīng)變

3 輸送機(jī)頭部鏈輪與鏈條傳動(dòng)分析計(jì)算

輸送機(jī)鏈條采用低鏈速板鏈，銷(xiāo)軸材質(zhì)為20Cr，板采用40Cr，刮板鏈條采用優(yōu)質(zhì)合金鋼經(jīng)熱處理來(lái)保證鏈條的抗拉強(qiáng)度，由于輸送機(jī)頭輪存在多邊形效應(yīng)，需要對(duì)鏈輪鏈條進(jìn)行進(jìn)一步分析，在鏈輪上施加設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)速，同時(shí)在鏈條兩頭施加相對(duì)應(yīng)的拉動(dòng)載荷。分析結(jié)果如圖5、圖6所示，鏈條的最大應(yīng)力與應(yīng)變均小于材料的需用應(yīng)力應(yīng)變。

圖5 頭部鏈輪與鏈條傳動(dòng)的應(yīng)力與應(yīng)變

圖6 頭部鏈輪與鏈條傳動(dòng)中鏈條的應(yīng)力與應(yīng)變

4 輸送機(jī)鏈條鏈板輸送傳動(dòng)分析計(jì)算

在前述鏈輪鏈條結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步作了鏈條鏈板在受極限載荷即堆滿渣灰并以設(shè)計(jì)的最大速度運(yùn)行下的動(dòng)力學(xué)分析，動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果如圖7、圖8所示，可以看出，在該極限工況下，鏈板和鏈條的強(qiáng)度、剛度完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 鏈條鏈板輸送鏈板與鏈條的應(yīng)力

圖8 鏈條鏈板輸送鏈板與鏈條的應(yīng)變

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先利用傳統(tǒng)的逐點(diǎn)比較法進(jìn)行刮板式輸送機(jī)的鏈條鏈輪的選型計(jì)算，為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)可靠，建立輸送機(jī)核心傳動(dòng)部件的CAD/CAE模型，采用有限元法對(duì)輸送機(jī)核心部件進(jìn)行分析校核，通過(guò)這種CAD/CAE一體化的設(shè)計(jì)仿真方法降低了設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)成本。