刮板运输机圆环链与链轮接触性能分析.pdf

158/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备0 引言刮板运输机是煤炭资源开采过程中所应用到的一类重要设备，在该类设备中，链轮和圆环链则是设备中的两类关键构件，这两类关键构件组成了刮板输送机的牵引机构1。从实际运行情况来看，链轮和圆环链在运行过程中长期承受较大的冲击载荷，容易受到破坏，因此如何提升这两类构件的性能则是需要重点探究的一项内容2。为实现上述目标，较具可行性的研究途径则是从动力学角度着手，对链轮与圆环链的接触情况进行分析探究，为后续的性能优化设计提供更多的参考依据。1 刮板运输机整体建模为实现对刮板运输机链轮传动系统模型的有效分析，在本次研究中，选用 CATIA 三维建模软件对链轮传动系统进行建模3。同时，结合本次研究的实际需要，选用型号为 SGB420/17 的刮板输送机进行研究，该刮板输送机的基本参数如表 1 所示。在确定以上参数后，本次通过以下几个步骤进行建模操作。第一，对圆环链进行建模。在该步骤中，结合设计图纸上的参数，并参考最新版本的技术标准文件，首先对圆环链二维图进行创建。在得到二维草图后，应用CATIA 软件，以二维图中的引导线为基准进行扫描，以此得到圆环链的三维图。第二，对链轮结构进行建模，在此环节中，仍结合设计图纸确定圆环链的尺寸参数，并参考设备图纸，对各部分结构的空间位置关系进行确认，并最终确定圆环链的齿数为 7。第三，对链轮和圆环链两部分进行整体装配，考虑到本次涉及到的圆环链结构较多，因此预先装配与链轮不存在空间接触的结构，再进行其他部分的装配。以上步骤完成后，获得的驱动链轮三维模型如图 1所示。刮板运输机圆环链与链轮接触性能分析黄慧（长治三元中能煤业有限公司，山西长治 046600）摘要：为进一步探究刮板运输机圆环链与链轮结构的性能，本次研究基于仿真分析的理论和方法，确定了不同工况下的载荷，以及运行过程中传动机构的应力分布情况，得出相应的研究结果。预计这些研究结果将为后续的刮板运输机结构设计优化工作提供一定借鉴。关键词：刮板运输机；圆环链；链轮；接触性能表1 刮板输送机基本参数内容参数运输量/(t/h)80设计长度/m50电机功率/kW17刮板链形式边双链链条规格/mm1450中部槽规格/mmmmmm1200420150图1 链轮-圆环链三维装配模型2023.7 矿业装备/1592 刮板运输机驱动链轮链条啮合动力学仿真分析在链轮-圆环链三维装配模型构建完成后，研究人员进一步进行动力学仿真分析。首先，通过查阅资料确定本次研究的刮板输送机的数个主要参数，经过查阅资料和初步分析后获知，该刮板输送机的驱动链轮的稳定转速为 6.73rad/s；驱动电机所提供的转矩为 821Nm。据此，在模拟仿真分析过程中，针对链轮转动的初始时间至第 5s 的范围内进行分析，在该时间段内，前2.0s 的驱动链轮转速为匀速增加，而后在第 2.0s 达到恒定值，此后该指标则不再变化。确定以上参数后，将建立完成的三维模型导入ADAMS 中，并设定相关参数进行模拟分析，分析结果如表 2 所示。根据表 2 的计算结果可知，系统载荷的变化对链轮与链环啮合冲击力的影响相对较小。结合已有经验分析可知，随着载荷的不断增加，啮合力与时间的关系曲线将逐步趋于平缓，最终达到稳定状态4-5。在实际研究过程中，链窝与平面环、以及平面环与垂直环在发生接触的过程中，其产生的作用力可等效为最大冲击负荷所带来的作用力。考虑到链轮与平环接触过程中的接触力相对偏高，因此，对该接触力与时间的关系曲线做进一步分析，由此得到仿真分析结果如图 2 所示。从图 2 可见，长期输出功率下，链轮窝齿面与平环的接触力随运行时间推进，呈现类似周期性的变化规律，从幅值这项指标来看，其存在规律性的波动，在一个分析时间段内可能多次出现峰值。同时，接触力的变化则呈现非线性，在初始阶段较低，而在某一时间节点呈现跳跃式增加，进而迅速达到峰值。由此，研究人员进一步进行有限元分析，该模型的接触力分布云图如图 3 所示。图 3 中，深色区域表示接触力较高。由此可见，接触力最大的位置在有荷载一侧的紧边位置处，这位后续的分析提供了基础。3 链轮传动过程数值模拟分析考虑到链轮传动过程中，系统内的力学特性较为复杂，包括但不限于圆环链的碰撞、圆环链与链轮的啮合等多种情况，因此研究人员应用 ABAQUS 软件进行模拟分析。在分析过程中，结合已有的模型文件，选用 SOLID164单元模型做进一步分析，其中圆环链选用 23MnCrNiMo，链轮选用30CrMnTi。在此基础上，设置链条拉力为 7.3kN，速度为 0.78m/s，链轮转速为 64.3r/min，仿真时间设置为 0.1s 进行模拟分析。第一，对链轮应力分布情况进行分析，链轮应力云图如图 4 所示。图 4 中颜色较深区域表示应力较高，由此可见，链窝位置的应力最高，且存在较为集中的情况，最表2 不同工况下链轮传动载荷情况运行工况链轮扭矩/(kNm)链轮轮齿最大啮合力/(104N)平环与力环连接力/(104N)计算值仿真值额定功率0.8211.13.11.3长期输出功率0.9851.44.11.4最大过载功率1.9102.34.31.6图3 模型接触力分布云图图2 长期输出功率下链轮转动两周内链轮链窝齿面与平环接触力随时间变化曲线160/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备大应力值为 524MPa，出现在链轮启动瞬间。这种应力的小范围集中作用会导致链轮的磨损变形失效情况进一步加剧。第二，对驱动链轮上的摩擦力进行仿真分析，分析结果如图 5 所示。图 5 中，颜色较深区域代表摩擦力较高，由此可见，摩擦力最高区域集中分布在位于链轮边缘且靠近立环开档区域，整体圆弧面受力不均，容易造成应力集中现象而加剧链轮变形失效。第三，在此基础上，进一步对圆环链啮合时的应力分布进行分析，模拟分析结果如图 6 所示。图 6 中深色区域对应应力值较高区域，从图 6 中不难看出，该结构下的主受力环为左平环，该受力结构的速度方向与拉力方向相同，且大小与拉力大小呈现正相关，应力值最大节点则出现在链环的弯臂处。经计算，应力最大值为 782MPa，容易造成链环接触处产生变形断裂。结合上述分析结果可知，为有效避免链轮变形、链环接触处断裂等问题，仍需要对链轮窝和链环进行参数优化，包括材料选择和结构设计等方面，以寻求降低应力和改变局部应力过于集中的问题，这对于提升链轮链环的使用寿命而言具有重要的现实意义。4 结束语整体来看，在本次研究中，结合某煤矿企业刮板运输机的实际运行情况，应用有限元分析方法，对该刮板运输机圆环链与链轮在不同工况下的接触情况进行了分析，根据模拟仿真分析过程，确定了该刮板输送机传动结构中的薄弱节点，并对薄弱节点的优化进行了初步的展望。当然，在今后的工作中，仍需要结合煤矿工作现场的复杂工况做进一步深入探究。参考文献1 史晓龙.综采设备选型及开采关键技术研究与应用 J.矿业装备,2022(3):252-253.2 焦晨浩.矿用刮板运输机运行状态在线监测系统研究 D.太原:太原理工大学,2021.3 何海涛.刮板运输机状态监测系统设计 J.能源与节能,2020(3):109-110.4 乔武俊.浅埋中厚煤层工作面刮板运输机选型及应用 J.机械管理开发,2018,33(5):105-106.5 葛喆鑫.刮板运输机中部槽断裂原因分析 J.机械管理开发,2018,33(4):53-54.图4 链轮应力分布云图图6 圆环链啮合力最大处应力云图图5 驱动链轮上摩擦力分布云图