蔡玉强，董晓蕊

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210)

转速对圆环链热浸镀铝振动系统影响

蔡玉强，董晓蕊

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210)

圆环链；热浸镀铝；振动系统；Adams；位移变化

圆环链作为牵引链广泛应用于刮板输送机、刨煤机、滚筒采煤机等煤矿井下工作机上。由于煤矿井下环境恶劣，圆环链易因磨损和腐蚀而发生断裂现象。在钢材表面热浸镀铝可改善钢材的耐蚀、耐磨、耐候等性能，但由于链环之间环环相扣，热镀时连接处易产生漏渡、粘结等技术难题在国内一直没有得到解决。为此，在热浸镀铝生产线上开发研究了圆环链热浸镀铝振动系统，置于浸镀铝锅之前，并基于Adams软件，探究了浸入铝液的2个链环振动过程中在不同转速下连接处的位移变化规律。研究表明，振动能够使圆环链连接处分离产生缝隙，铝液可以进入圆环链的连接处从而在圆环链表面获得连续均匀的热镀层。链轮转速10°/s为最优转速。

高强度圆环链作为牵引链广泛应用于刮板输送机、刨煤机、滚筒采煤机等煤矿井下工作机上。因煤矿井下环境恶劣，圆环链常因磨损腐蚀而导致链环断裂。钢材表面热浸镀铝形成镀层可有效改善钢材的耐蚀、耐磨、耐候等性能[1]，热浸镀铝技术是一种表面处理技术，将经过一定预处理的钢铁材料放入一定温度的熔融铝液中浸渍适当时间，钢铁表面和铝液之间发生一系列物理化学变化，通过扩散在钢铁表面即可形成铁铝合金防护镀层[2]。国内外众多学者对热镀铝技术进行了研究。热浸镀铝的专利报道于1893年，于1955年完成钢材表面热浸镀纯铝。60年代初美国、日本、英国逐步建成了钢带表面热浸镀铝生产线[3]。日本引进1977年瑞士发明的快速热浸镀铝技术，建立了钢丝表面热镀纯铝生产线。国内1996年冶金部钢铁研究总院采用森吉米尔法建成了我国钢带热浸镀铝生产线[4]。2000年宋世崑等采用溶剂法完成了对钢丝热浸镀铝试验[5]。但他们的研究对象多为钢丝和钢板，对圆环链的研究甚少。主要是由于在热浸镀铝过程中，圆环链之间环环相扣，每2个相邻链环的连接处，易产生漏渡、粘接等问题。 为此，在热浸镀铝生产线上开发研究了圆环链热浸镀铝振动系统，置于浸镀铝锅之前，并基于Adams软件，探究浸入铝液的2个链环振动过程中在不同转速下连接处的位移变化规律，以判定振动过程浸于铝液中的2个链环能否产生缝隙保证铝液进入以获得均匀镀层，找到最优转速。

1 圆环链与链轮选型设计

圆环链根据GB/T 12718-2001《矿用高强度圆环链》标准，其规格为 的C级圆环链，如图1所示，基本尺寸见表1。链轮根据《GB/T24503-2001矿用圆环链驱动链轮设标准》设计，链轮材料为30CrMnTi钢，弹性模量为206 GPa，屈服应力为2.3 GPa，泊松比为0.3。

图1 圆环链尺寸

链环直径d/mm节距p/mm内宽amin外宽bmax圆弧半径r/mm焊接直径d1/mm焊接长度e/mm单位长度质量/kg·m⁃134±1．0126±1．2381095236．523．822．7

2 基于Adams的仿真分析

2.1 模型创建

首先基于Creo建立圆环链传动系统三维实体模型。建模时忽略了对仿真结果几乎没有影响的圆角、焊缝等几何特征，以提高模型的求解速度[6]。如图2所示为装配好的三维模型。装配时设置最低端圆环链(LIAN11)的几何中心为整个模型的坐标原点。需要说明的是：为了保证所创建模型导入到Adams后零件之间能够施加约束，在Creo中装配模型时，不需要定义约束副，只需确保各零件间的相对位置没有干涉即可[7]。

图2 仿真用三维模型

最后把在Creo的装配图另存为扩展名为与Adams兼容的x_t文件，导入到Adams/view。

2.2 定义刚体

在Adams仿真过程中假设各个运动构件为刚体。设置工作栅格平面与链轮中心轴垂直，并与链轮的中间平面重合，Creo中建立的位于LIAN11中心的坐标系为工作坐标系。定义单位制为MMKS。链环、链轮和链轮轴的质量属性为steel。把大地定义为参照基准。

2.3 施加约束

导入仿真模型后，需要对导入模型添加约束关系。仿真过程中左边链轮即要绕着链轮轴转动，又要沿着Y轴方向上下振动，右边链轮要同步左边链轮转动。所以定义左边链轮与链轮轴之间的转动副和链轮轴与大地之间的移动副。定义右边链轮与链轮轴之间的转动副，链轮轴与大地之间的转动副。

2.4 定义接触

2.4.1 接触模型选择

圆环链与链轮的啮合很复杂，不是简单的运动副，在不影响仿真效果的前提下，定义好链环和链轮之间的接触，就可以进行仿真。Adams软件中，处理多刚体的接触现象有2种方法：恢复系数法(Restitution)和冲击函数法(Impact)[8]。

恢复系数法是一种简化的处理方法，仅用接触刚度和碰撞恢复系数2个参数来计算碰撞行为[9]。冲击函数法是将接触碰撞现象处理为连续的动力学问题，将碰撞过程中接触力等效成一个弹簧阻尼模型。2种计算接触的模型中，冲击函数法计算模型仿真效果较好，但仿真速度较慢[8]；恢复系数法计算模型参数简单，计算量小，但无法计算接触力，且系数需要通过试验获得[10]。圆环链平环与立环、圆环链与链轮之间应施加接触力，故选用冲击函数法。图3为弹簧阻尼模型定义的接触。

图3 弹簧阻尼模型定义的接触

2.4.2 定义接触

在模型中建立的接触包括：每个链环与2个链轮之间的接触与每2个链环之间的接触。接触类型选择实体对实体，法向力选择冲击函数法，刚度系数设为5.6E+005，力指数设为2.2，阻尼系数设为1.0E+004，穿透深度设为1.0E-004，在Normal Force选项中选择。摩擦力的设定选择库伦法，静摩擦系数、动摩擦系数、静平移速度、摩擦平移速度取默认值。

2.5 转速的确定

在钢材热浸镀铝过程中，钢铁材料与铝液发生反应需要一定的时间，转速过快会导致圆环链在铝液中时间太短，钢铁与铝液反应不完全，造成镀层不均匀或者出现漏渡的现象。转速过慢则会导致圆环链表面附着纯铝层太厚，而增大了圆环链直径，影响其传动性能。

热浸镀铝时浸入铝锅的圆环链大约有3个，从圆环链开始进入铝锅到离开铝锅所走的直线距离为200 mm，而链轮转过1个轮齿的距离圆环链所走的直线距离为212 mm，链轮转过52 ℃。在反应时间3～5 s内，链轮最多转过50 ℃，所以链轮转速最快为17 °/s。而链轮转速过慢也会影响热浸镀铝的效果，所以链轮的转速在10 ～15 °/s最为合适。故以10 °/s、12 °/s和15 °/s 3种转速来进行试验，探究浸入铝液的2个链环振动过程中连接处的位移变化规律。

2.6 添加驱动

左边链轮中心添加的驱动正弦力，使其上下移动。2个链轮中心与链轮轴之间的转动副添加相同的驱动，使两轮同角速度转动。

3 仿真结果

在进入铝液的3个链环LIAN10、LIAN11、LIAN12的连接处分别建立属于2个链环的market点，LIAN10上的market70与LIAN11上的market71接触，LIAN11上的market72与LIAN12上的market73接触。仿真完成后，比较接触位置2个market点的相对位移，以确定2个链环是否完全分开。

在设置完成后就可以开始进行仿真运行。转速为10°/s时仿真结果如图4和图5所示。由图4可以看出在振动过程中，最低端浸入铝液中的链环10和链环11接触点处和链环11和链环12接触点处在X、Y、Z3个方向均有一定的位移，尤其是Y方向有较大的位移，几乎全程分开的，Z方向也有较大位移，但是波动较大。即在振动的情况下可以使接触点彻底分开一定的距离，由于液体的流动性，铝液可以进入两链环的接触位置。由图5所示两接触点处接触力可以看出只有在振动刚刚启动的时候有较大的接触力，绝大多数时间内由于施加振动所造成的接触力接近于0。

图4 4个标记点对应的位移变化

图5 两接触点处接触力

转速为12°/s时仿真结果如图6和图7所示。由图6可以看出，在振动过程中，最低端浸入铝液中的链环10和链环11接触点处和链环11和链环12接触点处在X、Y、Z3个方向均有一定的位移，X方向位移较小，Y方向几乎是全程分开的，Z方向位移波动相较于转速为10°/s时稍显平缓。在振动的情况下可以使接触点彻底分开一定的距离，由于液体的流动性，铝液可以进入两链环的接触位置。由图7所示两接触点处接触力可以看出接触力波动相较于转速为10°/s时平缓，但部分时间接触力大。

图6 4个标记点对应的位移变化

图7 两接触点处接触力

转速为15 °/s时仿真结果如图8和图9所示。由图8可以看出，在振动过程中，最低端浸入铝液中的链环10和链环11接触点处和链环11和链环12接触点处在X、Y、Z3个方向均有一定的位移，X方向位移波动微小，Y方向几乎是全程分开的，Z方向位移波动相较于转速为10°/s时稍显剧烈。在振动的情况下可以使接触点彻底分开一定的距离，由于液体的流动性，铝液可以进入两链环的接触位置。由图9所示两接触点处接触力可以看出接触力波动相对于转速为10°/s时较大且波动剧烈。

图8 4个标记点对应的位移变化

图9 两接触点处接触力

上述分析对比可知，在转速分别为10 °/s、12 °/s和15 °/s时，根据铝液中链环的2个接触点在振动过程中的X、Y、Z3个方向的位移变化规律可知链环连接处产生缝隙，实现了彻底的分离，使铝液可以进入圆环链的连接处，完成物理化学反应，从而在圆环链表面形成完整镀铝膜。转速为10 °/s时，Z方向的位移波动相较于转速为12 °/s和15 °/s时稍有增大，但转速为15 °/s时产生的接触力明显大于转速为10 °/s和12 °/s产生的接触力，12 °/s时部分时间接触力较大，在铝液中温度高达600 ℃左右，会对链环造成不利影响。对比分析显然10 °/s为较合适转速。

5 结论

(1)基于Adams软件，对开发研究的圆环链热浸镀铝振动系统进行了振动参数仿真分析，得到了浸入铝液的2个链环振动过程连接处的位移变化规律。并试验了转速为10 °/s、12 °/s和15 °/s时，比较在相同振动参数下接触点处产生的位移变化和链环产生的接触力。

(2)3种转速下振动均能够使圆环链连接处分离产生缝隙，铝液可以进入圆环链的连接处，完成物理化学反应，从而在圆环链表面形成完整镀铝膜，对比3种转速结果，转速为10 °/s时更适合。研究结论可为圆环链热浸镀铝工艺和设备设计提供了参数选择依据。

[1] 宋宁宁. 矿用高强度圆环链生产工艺[J]. 科技致富向导, 2014,(6):288-288.

[2] 刘雪民, 易大伟, 刘炳,等. 热浸镀铝技术的研究应用与发展[J]. 材料保护, 2008, 41(4):47-50.

[3] 陈冬, 金向雷. 国内外热浸镀铝技术进展述评[J].河北冶金,1997, 99(3):25-30.

[4] 华勤, 戚飞鹏. 钢铁零件热浸镀铝技术的发展[J].机械工程材料, 1995, 19(1):32-34.

[5] 宋世崑. 钢丝热浸镀铝工艺及组织性能的研究[D].大连:大连理工大学, 2000.

[6] 张春芝. 刮板输送机动力学建模及链环疲劳可靠性研究[D].北京:中国矿业大学, 2012.

[7] 张炜. 基于MSC.ADAMS的圆环链传动系统的仿真分析[J].煤矿机械, 2014, 35(4):75-77.

[8] 王力军, 张树民, 解鸿章,等. 基于ADAMS的圆环链传动系统建模与仿真[J]. 煤矿机械, 2015, 36(1):99-102.

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[10] 焦宏章. 刮板输送机链轮与圆环链接触动力学分析[D].太原:太原理工大学, 2012.

Effect of Rotating Speed on Vibration System Parameters of Ring Chain Hot Dip Aluminizing

CAI Yu-qiang, DONG Xiao-rui

(College of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063210, China)

ring chain; hot-dip aluminizing; vibration system; Adams; displacement variation

As the traction chain, ring chain is widely used in scraper conveyor, coal plough, shearer coal mine and other working machine underground. Because of the coal mine environment underground is bad, ring chain easily rupture because of wear and corrosion. Hot-dip aluminizing on steel surface can improve the corrosion resistance, wear resistance, weather resistance and other properties of steel, but the technical problems such as the leakage dip and bonding together at the connection site of chains because of the chain interlocking have not been solved in the process of hot-dip aluminizing in China. Therefore, the vibration system was developed, which was set in the front of hot-dip aluminizing pot on hot-dip aluminizing production line, and the displacement variation at the junction of two links in vibration process of liquid aluminum with different speed was explored based on Adams software. The results show that the vibration can make the chain connection separation and produce gap, the aluminum liquid can enter the connection point of the ring chains to obtain a continuously homogeneous hot coating on the surface of the ring chain. The optimal speed of the wheel is 10°/s.

2095-2716(2017)02-0072-10

2016-10-25

2017-03-28

河北省三三三人才工程培养资助项目 (A201400214)。

TG156.8+6

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