刮板输送机链传动动力学分析

高 磊

（晋能控股煤业集团晋华宫矿综采二队， 山西 大同 037016）

引言

目前地下煤矿开采使用最广泛的技术是综采技术，即围绕采煤机、刮板输送机、液压支架三种主要设备构成综采工作面，由液压支架进行支护、采煤机进行割煤、刮板输送机进行运煤，三机协同完成煤炭矿石的开采[1]。刮板输送机作为主要运输设备，其工作状态关系着矿石能否顺利运出综采工作面。刮板输送机的运动是依靠链传动实现的，圆环链与链轮不断啮合传动，承受了很大的载荷，是整个刮板输送机中最容易出现故障的部位，因此对刮板输送机进行链传动的动力学分析是十分必要的，有助于提高运行效率[2]。

1 建立三维模型

刮板输送机是一种较为复杂的设备，其工作原理是通过液力耦合器和减速器将驱动电机提供的扭矩放大，传递到链轮轴，链轮轴带动链轮转动，由链条与链轮不断啮合的过程将驱动电机的旋转运动转换为直线运动，从而实现运输功能[3]。实际传动系统的组件非常多，如果完全按照实际进行三维建模，会使软件仿真的计算量十分巨大，受限于计算机的硬件系统，仿真时间可能会非常久，因此需要对传动系统进行合理简化，以便提高仿真效率，但在简化时不能降低仿真精度，改变仿真结果。本文在建立链传动三维模型时对圆环链的数量进行了减少，并且将双链简化为单链，可以显著减少实体数量，提高仿真计算效率[4]。

链条是由很多圆环链首尾串联组成的一条环形链条，相邻圆环链互相垂直，每一个圆环链的规格都一致，因此可以先建立单个圆环链的实体模型，再将其组装成链条。圆环链为矿用圆环链，是一种标准件，符合GB/T12718-2009，根据某矿实际使用链条的规格和标准中的参数进行二维草图和引导线绘制，利用扫掠功能即可绘制出单个圆环链的三维模型。

链轮也是一种标准件，符合GB/T 24503—2009，根据某矿实际使用链轮的规格和标准中的参数进行链轮的三维模型绘制，需要注意的是平环与链轮链窝啮合，立环则与链轮槽啮合，链轮模型的精确建立对二者的啮合接触特性的分析至关重要。

在进行链条装配时，为了降低工作量，可以将链条分为直线段和曲线段两部分，直线段的链条不与链轮接触，可以采用阵列的方式进行装配。曲线段的圆环链与链轮接触，要通过定义圆环链与链轮窝的接触进行自由度的约束，同时要避免出现干涉现象。最后将直线段与曲线段连接起来，即完成了整个传动系统的三维模型的建立工作，如图1 所示。最终装配完成后还要再进行一次干涉检查，保证链传动模型建立的正确性，避免仿真时软件报错。

图1 链传动系统三维模型

2 动力学仿真分析

将建立好的三维模型导入到ADAMS 软件中，并对模型进行质心、惯性张量等参数进行设定，约束其自由度，使链轮只能做纯转动，再添加驱动力矩及运行阻力[5]。链轮的转动速度是经过减速器减小后的驱动电机转速，某矿的驱动电机转速为1 440 r/min，减速器传动比为22.4，可以计算出链轮的转动速度为6.73 rad/s。链轮的驱动力矩是经减速器放大后的驱动电机扭矩，可以根据电机功率和传动效率计算出来，某矿的驱动电机额定功率为17 kW，计算得到链轮额定转矩为821 N·m。对所有参数设定完成后，将仿真时间设定为4 s，步长0.01 s，进行动力学求解[6]。

以曲线段圆环链中的圆环链为对象进行受力分析，分析圆环链与驱动链轮间的接触力及圆环链间的接触力力。如图2-1 所示，前1.47 s 内，圆环链与链轮的接触力为0，说明此时驱动链轮与圆环链还未发生接触。从1.47 s 开始，驱动链轮与圆环链间的接触力开始逐渐增大，此时驱动链轮与圆环链发生啮合，进行传动，接触力很快增大到8 220 N。从1.85 s 开始，驱动链轮与圆环链间的接触力又开始逐渐减小至0，此时圆环链与驱动链轮的啮合结束。相邻圆环链的受力过程也如出一辙，驱动链轮不断与圆环链啮合，从而带动整个链传动系统。

图2-2 为圆环链之间的接触力曲线。在启动的一瞬间，圆环链间的接触力迅速增大至18 000 N，这是由于启动时的状态突变。随后1.7 s 内，圆环链间的接触力在7 500 N 左右波动，此时圆环链位于紧边，还未与驱动链轮发生接触，在1.7 s 时由于链轮的多边形效应使得传动载荷发生变化，圆环链间的接触力出现一个小拐点。随后圆环链间的接触力逐渐下降至0，这是由于圆环链开始与驱动链轮发生啮合，此时圆环链受到的力是作用在驱动链轮与圆环链的接触面上，圆环链之间没有接触力。随后圆环链进入松边，在3.0 s 时又开始进入紧边。

图2 链传动系统拉力仿真曲线

在刮板输送机链传动系统运动过程中，圆环链不断重复由紧边向驱动链轮方向移动，与驱动链轮发生啮合，再进入松边，向从动链轮方向移动，与从动链轮啮合，再进入紧边这一过程，在这个过程中，圆环链间的接触力力大于圆环链与驱动链轮间的接触力，圆环链内测应力增大明显，最大应力为170 MPa，位于圆环链中弯曲段与直线段的拐点位置，如图3-1 所示。在链传动系统运行过程中，驱动链轮与圆环链不断发生啮合，在驱动链轮与圆环链接触时，驱动链轮在链窝齿根处受到的应力最大，最大值为8.53 MPa，如图3-2 所示。

图3 链传动系统受力（Pa）云图

3 结论

链传动系统是刮板输送机的核心系统，直接决定了刮板输送机的工作效率。建立简化的链传动模型，导入到仿真软件中进行动力学分析，从整个系统的受力分析中可以看出，链传动在启动瞬间会产生较大的冲击载荷，在圆环链互相接触的位置会产生最大应力；驱动链轮在与圆环链啮合时，会在链窝齿根处产生冲击载荷，容易使链窝发生变形，影响传动效率和链轮寿命，因此，在进行刮板输送机设计时应对链传动系统进行优化。