刮板输送机驱动链轮与链条接触动力学研究

2021-05-19王学敏

机械管理开发 2021年3期

王学敏

（潞安矿业集团慈林山煤业有限公司，山西长子 046600）

引言

刮板输送机是煤矿井下运输煤炭的重要设备，输送机的力学性能是保证运输的重要前提。对于刮板输送机力学性能的研究，李晓齐、高树勋等通过数值模拟优化了输送机的力学参数[1-2]。吴孙阳等通过仿真手段分析了刮板输送机运行过程中断链问题，检测系统准确判断了链条故障的位置[3]，张亮霞、王淑平等通过对链环链轮的啮合运动分析了啮合特点下链条的受力特征[4-5]。本文基于已有研究，通过数值模拟解决了刮板输送机断裂的问题，为优化刮板输送机力学参数提供了重要依据。

1 刮板输送机空间数学方程建立

刮板输送机因为其较大的强度以及承载能力被矿井广泛使用。输送机主要分为承载的中部槽、牵引的管板链和机头等部分。链轮和链条的相互作用是输送机运行的基础，啮合作用下，管板连的稳定运行带动了输送机的运行。齿轮坐标示意图如图1 所示，从图1 中可以看出，O0为链轮与中心坐标的距离，单位m；O1为链窝与中心坐标的距离，m；O2为链环与中心坐标的距离，m。

在链轮运动的过程中，其受力非常复杂，为了更清晰地表达受力特征，利用极坐标进行表述，得到xOz 平面以下母线方程：

图1 齿轮坐标示意图

xOy 平面母线方程：

结合公式（1）（2），得到链轮参数方程：

在xOy 内的导线方程是：

结合公式（3），（4），得到：

对链轮参数进行求导，得到：

接触面力学法向矢量为：

当齿轮和链环啮合运行时，两者以相同的角速度进行运转，因此有以下公式：

式中：v1、vh为链环线速度，m/s；ωh为链轮角速度，rad/s。

2 链条链轮啮合动力学分析

利用CATIA 数值模拟软件模拟不同运载条件下输送机链轮链条力学性质更加符合实际。本文分别模拟了不同工况下输送机运行载荷情况，模拟结果如下页表1 所示。

根据表1 可知，随着刮板输送机加载功率的增加，扭矩的理论计算值逐渐增大，数值模拟呈现相同的规律，证明了数值模拟结果的准确性。工况不同，齿轮的啮合以及链环连接力也不同，当以额定功率加载时，齿轮的最大啮合力为2.9×104N，链环连接力为1.1×104N；长期输出功率加载时，齿轮的最大啮合力为3.8×104N，链环连接力为1.2×104N；当以最大过载功率加载时，齿轮的最大啮合力为4.1×104N，链环连接力为1.3×104N，模拟结果与实际情况相符。

表1 不同工况下刮板输送机运行载荷对比

实际运行过程中，链环和链轮的相对运行呈现周期性，两者之间的接触力大于最大理论计算值时，结构就会失稳。

3 链轮传动过程数值模拟

刮板输送机运行过程中力学性质复杂，为了计算结果的准确性，选择Catia 软件进行建模，将建好的模型导入ABAQUS 软件中进行模型网格的划分，本次数值模拟中链轮选择30CrMnTi 材质，圆环链采用23MnCrNiMo 材质，两种材质的弹性模量、泊松比、密度值、屈服极限以及剪切模量的参数如表2 所示。

表2 数值模拟链轮、圆环链物理力学参数

数值模型中通过节点施加力，整个模型中共有一个链轮和10 个链环，定义链环和链轮之间的接触材料为完全弹性体，因此在模拟过程中不会出现干涉现象，减少了计算误差。在接触部位的力学计算，则通过数值模拟软件中的Surface-Surface 算法计算，该算法中定义链环和链轮中的摩擦系数为0.25，链条以逆时针进行运行，初始运行速度为0.75 m/s，初始拉力为7.5 kN，整个模型中上端为主动端，计算过程分为200 步进行，解决了人工计算时间长、误差大的问题。

图2 链轮链环模拟整体速度图

模拟计算得到了如图2 所示的链轮链环速度云图，从图2 中可以看出，啮出段的速度值为0.32 m/s,速度值最小；速度最大值出现在啮入段，此时速度值为0.864 m/s。详细分析原因，在数值模拟中，模型运行初始阶段，齿轮的运动是在啮入段力的作用下开始，因此啮入段的速度值最大，在整个链环的周期运动中，啮出段受力最小，且主要通过惯性运动，因此受力最小。

为了更直观地观测运行过程中链环的受力状况，得到图3 所示的链环摩擦力云图。从图3 中可以看出，不同链环间、不同时间段，链环之间的摩擦力有差异。在模型运行初始阶段，链环受力最大，因此链环链环处受力也最大，应力集中导致链环之间的摩擦力最大，长时间运行中，极易出现大面积的磨损现象，链环间的应力集中现象并非偶然，每个链环间都有此现象。虽然长时间的应力集中现象不利于设备的运行，容易出现损坏等问题，但是在数值模拟物理力学参数基础上，链条间的应力集中现象不足以影响设备的运行，因此基本不会出现失稳现象。