高永亮

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shè)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(shù)引進、技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上我國刮板輸送機產(chǎn)品在使用性能、壽命等方面已經(jīng)可滿足實際生產(chǎn)的需求。但是，鑒于綜采工作面生產(chǎn)效率的不斷提升，對其在復(fù)雜工況下整體的動力學(xué)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(tài)也非常有必要[1]。本文將通過數(shù)值模擬方式對刮板輸送機在復(fù)雜工況下的動力學(xué)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(shè)備之一，其不單單承擔工作面的運輸任務(wù)，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(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 普通刮板輸送機的結(jié)構(gòu)

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(guī)格為14 mm×50 mm，中部槽的尺寸規(guī)格為1 200 mm×420 mm×150 mm。在實際生產(chǎn)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(jié)合刮板輸送機鏈傳動系統(tǒng)的整個結(jié)構(gòu)，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(tǒng)為雙鏈型式，由于鏈傳動系統(tǒng)為左右對稱結(jié)構(gòu)，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(tǒng)，因此，對于與鏈傳動系統(tǒng)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(tǒng)稱為綜采工作面的“三機”，其具有復(fù)雜的運行模式和受力特性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）由于綜采工作面生產(chǎn)條件復(fù)雜、環(huán)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(fù)運動、截割深度的變化以及液壓支架的推移等運動狀態(tài)發(fā)生變化。

2）在刮板輸送機結(jié)構(gòu)方面，鏈條和鏈輪之間的傳動由于存在多變效應(yīng)導(dǎo)致鏈條的運動模式更加復(fù)雜，其對應(yīng)的受力情況也相對復(fù)雜。同時，鏈條會發(fā)生彈性拉長加劇了鏈條的復(fù)雜性。

鑒于上述兩項主要原因，本節(jié)將基于ADAMS 軟件對刮板輸送機的動力學(xué)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(shù)值模擬分析的速度和結(jié)果準確性兩項因素，在刮板輸送機整體模型的基礎(chǔ)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(tǒng)，重點包括有刮板輸送機鏈傳動系統(tǒng)中的驅(qū)動鏈輪、從動鏈輪、平環(huán)以及立環(huán)等[2]?；谏鲜鎏摂M樣機模型的仿真背景為復(fù)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(shè)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(jié)果分析

在上述仿真條件設(shè)置的基礎(chǔ)上通過對不同工況下的結(jié)果進行分析得出對應(yīng)的仿真結(jié)論，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

3.1 不同鏈速工況下刮板輸送機動力學(xué)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(yīng)刮板輸送機機尾鏈輪的轉(zhuǎn)速進行仿真對比研究。設(shè)定刮板輸送機鏈速采用step 函數(shù)進行啟動，啟動開始0.5 s 后鏈速達到預(yù)設(shè)的要求。仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同鏈速對應(yīng)刮板輸送機機尾鏈輪的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速與機頭鏈輪的基本區(qū)域一致。在0～0.1 s 的時間間隔內(nèi)，由于重力因素的影響導(dǎo)致其鏈條松弛，從而導(dǎo)致機尾鏈輪出現(xiàn)反向運動的情況。當機尾鏈輪轉(zhuǎn)速在0.5 s 后趨于穩(wěn)定后，受到鏈輪多邊效應(yīng)的影響，隨著鏈速的增加對應(yīng)機尾鏈輪轉(zhuǎn)速也出現(xiàn)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(xué)特性分析

對載荷分別為20 kN、30 kN 和40 kN 時對應(yīng)刮板輸送機機頭鏈輪轉(zhuǎn)矩進行仿真對比研究。設(shè)定刮板輸送機的鏈速為0.8 m/s。仿真數(shù)據(jù)如表1 所示。

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

表1 不同載荷對應(yīng)刮板輸送機機頭鏈輪轉(zhuǎn)矩對比

3.3 不同地形傾角工況下刮板輸送機動力學(xué)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(huán)間接觸力的變化情況進行仿真分析。本次仿真設(shè)定載荷為30 kN，刮板輸送機鏈速為0.8 m/s，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同地形下刮板輸送機鏈環(huán)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(huán)間的接觸力與地形的傾角大小無關(guān)，這是由于鏈環(huán)此時位于刮板輸送機的緊邊運行；而當鏈環(huán)運行至刮板輸送機的松邊時，刮板輸送機鏈環(huán)間接觸力的變化處于無規(guī)律的、雜亂交替的變化趨勢，與地形傾角無直接關(guān)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(guān)。

4 結(jié)論

刮板輸送機為綜采工作面生產(chǎn)中實現(xiàn)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(chǎn)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(xué)特性的研究非常有必要；本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一款可對刮板鏈安全運行狀態(tài)監(jiān)測的裝置，從而達到預(yù)防卡鏈事故發(fā)生的目的。具體總結(jié)如下：

1）受到鏈輪多邊效應(yīng)的影響，隨著鏈速的增加對應(yīng)機尾鏈輪轉(zhuǎn)速也出現(xiàn)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(yīng)機頭鏈輪的轉(zhuǎn)矩增加，振動幅度也相應(yīng)增加；而機頭鏈輪轉(zhuǎn)矩波動周期與其載荷大小無關(guān)，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(guān)。