张 杰

（山西宁武大运华盛南沟煤业有限公司，山西 宁武 036700）

引言

刮板输送机在煤炭开采中使用量较大，掘进机将煤炭截割掉下来后，需要输送机源源不断地将煤运输到矿井，因此输送机的关键的传动结构、动力装置等都可能产生较大磨损，由此造成输送机使用寿命的降低。圆环链作为牵引机构，刮板输送机在工作中刮板与圆环链之间存在较大的摩擦力，刮板推动物料往前进行运输，在工作载荷的作用下刮板输送机产生较为严重的磨损。与此同时，物料下落可能会给设备产生较大的载荷冲击，所以刮板输送机必须要具有强耐磨性、高强度和刚度。

刮板输送机的结构分布位置可以分为机头结构、中间结构、机尾结构，其中机头位置主要包括输送机的驱动电机、变速箱、链轮以及链条等结构。中部结构主要包括刮板链条、刮板等，机尾则主要包括输送机皮带转向轮。基于链条与链轮的啮合模型，对其啮合力学模型进行分析，创建链条链轮的分析模型，模拟计算链条在啮合过程中的受力特征，对于研究增强链条与链轮的可靠性具有重要意义[1]。

1 圆环链和链轮啮合模型

由于圆环链节距的存在，链条在传动过程中存在上下跳动的情况，链条的上下跳动加重了链条与链轮之间的磨损，如图1 所示为刮板输送机链传动结构剖面示意图，链条与链轮之间啮合较好，可传递较大的载荷。传动模型的主要结构参数包括链轮齿数N、圆环链的宽度尺寸b、圆环链的节距p。根据齿轮的几何参数关系，可以表示出链轮的节圆直径D0如下式所示：

图1 链轮的齿形及基本尺寸（单位：mm）

其中链轮的节距角度θ=360/（2N），De=D0+2d，圆环链与链轮的其他参数在此不再一一列举。

刮板输送机的链条与链轮之间啮合最复杂的区域就是链窝结构，它对于链条的传动平顺性具有重要影响。根据输送机的额定功率以及实际的需求，设计选择链轮与链轮的尺寸与结构，在此采用的是Φ34×126的标准圆环链条[2]。

2 链条的传动特点

链轮是主动件，在刮板输送机工作过程中，主要依靠链条带带动不同的刮板。刮板推动着货物的运输，而刮板将货物的重量载荷等传递到链轮之上，由此在链条与链轮之间产生巨大的接触力，因此链条与链轮结构的可靠性对提高设备的使用寿命具有重要意义。链条由立环和平环组成，在工作状态链条的传动边被称作紧边，另一侧被称为松边。如下页图2所示，为链条的传动结构示意图，在链条与链轮传动工作时，平环主要负责与链轮的啮合，立环的主要作用则是连接两个相邻的平环，并传递载荷[3]。

图2 链条拟合结构示意图

由于链条节距的存在，链条传动并不是连续稳定的，链条在绕链轮旋转过程中会产生明显的节律性的跳动现象，对整个设备会产生较大的冲击，同时产生较大的噪音。由于输送机使用强度大，链条与链轮常发生各种类型的故障，链轮常见的失效形式包括过度磨损、齿根断裂、压溃等故障。链条主要存在的故障类型包括链环断裂、过度磨损等。链条在产生磨损后，可能节距等参数会发生改变，近一步导致链条与链轮的结构磨损并产生噪音，模拟分析链条与链轮的啮合特征，有助于了解啮合的特点，提高设备的使用寿命[4]。

3 分析模型的建立

模型的分析选择了ANSYS LS-DYNA，该分析软件基于有限元分析理论，具有强大的非线性处理能力，下面对分析模型的建立做简要说明。

1）三维模型。根据设备的工程图纸建立刮板与链条的三维模型。导入到S-DYNA 中后，对模型的边界条件、载荷以及网格划分进行处理，并实现对模型的有限元分析[5]。

2）材料的设置。已知链轮的材料为30CrMnTi，其杨氏弹性模量为2.07×1011Pa，密度为7.86×10-6kg/mm3，泊松比为0.3，屈服极限为2.3×109Pa，剪切模量为5.6×105Pa；刮板输送机链条材料为23Mn-CrNiMo，泊松比为0.25，弹性模量为210 GPa。

3）网格处理。链条与链轮之间存在比较复杂的啮合关系，如果想要获得比较理想真实的仿真结果，应尽可能接近设备的实际受力与工作状态。在对模型进行网格处理时，先建立链条与链轮之间的接触关系，采用SOLID64 单元。考虑到模型的计算时间以及计算机的计算能力，采用四面体网格进行划分，尽量细化处理局部网格，以提高模型的计算精度[6]。

4）边界条件。首先需要设置链条上平环与立环之间的无摩擦接触，然后约束链轮中心位置的位移，仅保留其沿轴向方向的转动。对缠绕在链轮上的圆环链条的两端上施加不同的波动载荷，链条与链轮应设置一个旋转的初速度，链轮和链条的平环与立环之间均设置接触约束，假设链条与链轮都是弹性体但不能侵入对方网格，最后设置好模型仿真的时间以及步长。根据刮板输送机的实际生产中的使用情况，取圆环链的初始张力为2.35 kN，仿真时间设置为1.2 s，步长取0.1 s；初始状态下链轮的旋转速度为0.09 rad/s。

4 仿真结果

对刮板输送机链轮链条的传动模型进行分析，分别计算分析了链轮与链条耦合模型的位移、速度、加速度的分布情况，下面分别对三种计算结果进行简要说明。

4.1 位移计算结果

如图3 所示为链轮啮合模型的位移云图。根据计算结果可知圆环链条的位移值从链轮的最下端到其顶部的过程中，位移从最大值慢慢递减到最小值，说明链条在啮如链轮时逐渐受到较大的拉力作用，链轮做顺时针转动，初始的啮合位置受到的拉力最大，因而产生的变形也就最大。计算结果中可以看出，位移最大值为0.217 m，最小位移为0.019 m，最大位移值与最小位置出现的位置与刮板输送机实际结构相符。

图3 链传动系统啮合位移（mm）云图

4.2 速度计算结果

如图4 所示为链传动模型的整体速度分析结果。链条的速度也是下端大于链轮上端的速度，最大速度为0.895 m/s，最大速度位置在链条刚啮入链轮的位置，最小速度为0.007 5 m/s。链条的速度与其位移的计算结果分布比较相似，这也是驱动链轮首先啮入端受力最大的原因，链条与链轮之间的载荷传动具有一定的局限性。

图4 链传动系统啮合速度（mm/s）云图

4.3 加速度计算结果

根据对模型的分析计算，得到了圆环链与链轮在啮合过程中整体的加速度分析结果，刮板输送机传动系统在啮合齿轮顶部产生了较大的加速度，根据计算结果分布来看，立环上的加速度要小于平环，因为平环直接与链轮作用，产生向前的驱动力，平环的载荷较立环更加复杂。在链条的传动过程中，加速度大的区域所受的载荷也就相应越大，在立环与平环之间的连接处以及链轮链窝等位置均出现了较大的应力，见图5。

图5 链传动系统啮合加速度（m/s）云图

5 结论

为了研究刮板输送机链条与链轮之间载荷传递关系，对其啮合过程有一个比较深的认识，基于大型非线性有限元分析软件LS-DYNA 对链轮耦合模型进行仿真分析。根据计算的结果可以得到结论：链条的立环与平环受力情况并不一致，平环直接参与到链条与链轮之间的载荷传递，因此具有更加复杂多变的载荷情况，链环弯臂和直臂过渡区域、链环相互接触的区域一般会产生较大的作用力。链轮上作用力较大的位置主要集中在链轮链窝位置，因此为了防止链轮的链齿的齿根位置发生断裂，应在链轮的结构设计中重点考虑该区域的优化。该研究结论对了解链条链轮之间的啮合特征具有重要参考作用，对减少链轮和链环的磨损，延长刮板输送机的工作寿命具有重要作用。