馮文軍

摘 要：為了解決刮板輸送機(jī)鏈輪及鏈條磨損嚴(yán)重造成的損壞，本文對(duì)鏈輪與鏈條的嚙合特性及受力情況進(jìn)行分析，并利用數(shù)值模擬軟件對(duì)額定功率下圓環(huán)鏈、鏈環(huán)及鏈輪間的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行模擬分析，給出了鏈輪及圓環(huán)鏈的應(yīng)力及位移變化情況，為后續(xù)鏈輪及圓環(huán)鏈的優(yōu)化作出一定的參考，為刮板輸送機(jī)的正常運(yùn)行提供一定保障。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;刮板輸送機(jī);圓環(huán)鏈;力學(xué)特性

1 前言

隨著礦山機(jī)械水平的不斷提升，刮板輸送機(jī)作為礦山主要的運(yùn)輸設(shè)備，其工作性能直接關(guān)系著礦井的正常生產(chǎn)。刮板輸送機(jī)的鏈條與鏈輪間的嚙合特性是刮板輸送機(jī)傳動(dòng)的核心問(wèn)題。為了解決刮板輸送機(jī)鏈條及鏈輪受力不均造成的磨損，眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過(guò)研究。本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)額定功率下鏈輪鏈條間的嚙合進(jìn)行分析，給出了管輸送機(jī)鏈輪及鏈條的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，為刮板輸送機(jī)的安全運(yùn)行作出一定的參考。

2 圓環(huán)鏈與鏈輪嚙合分析

刮板輸送機(jī)在傳動(dòng)過(guò)程中鏈輪及鏈齒的嚙合是一個(gè)多體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，考慮到刮板輸送機(jī)鏈輪鏈齒的形狀不規(guī)則性，所以鏈輪鏈齒間的受力問(wèn)題較為復(fù)雜，所以為了分析鏈輪鏈齒嚙合間的受力情況，需要對(duì)其進(jìn)行分步分析，首先需要對(duì)鏈輪與園鏈環(huán)及鏈環(huán)與圓鏈輪間的受力進(jìn)行分析，后對(duì)嚙合的各個(gè)過(guò)程進(jìn)行分析。驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈間的嚙合過(guò)程示意圖如圖1所示。

如驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈間的嚙合過(guò)程示意圖所示，其中點(diǎn)O為圓環(huán)鏈輪的中心，鏈條繞著O點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω，將傳動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分步，當(dāng)傳動(dòng)過(guò)程I時(shí)，此時(shí)平環(huán)1剛好處于鏈輪鏈窩的區(qū)域，此時(shí)平環(huán)與鏈窩進(jìn)行嚙合，當(dāng)圓環(huán)鏈條發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)的立環(huán)2及平環(huán)3等鏈環(huán)發(fā)生相對(duì)于O1點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，?dāng)傳動(dòng)過(guò)程達(dá)到II時(shí)，此時(shí)立環(huán)4及平環(huán)3繞著O2發(fā)生相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，?dāng)傳動(dòng)過(guò)程達(dá)到III的位置時(shí)，此時(shí)的平環(huán)3與圓環(huán)鏈鏈窩的區(qū)域嚙合，完成了鏈輪及鏈環(huán)的嚙合過(guò)程，在刮板輸送機(jī)傳動(dòng)的過(guò)程中，一直持續(xù)重復(fù)著上述運(yùn)動(dòng)。為了對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈接觸的受力進(jìn)行分析，以及為后續(xù)的數(shù)值模擬提供依據(jù)，對(duì)圓環(huán)鏈及圓環(huán)鏈輪間的受力進(jìn)行分析，在進(jìn)行嚙合過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，鏈窩的長(zhǎng)度需要大于圓環(huán)鏈的長(zhǎng)度，這樣才能順利的嚙合。在鏈輪輪窩與鏈環(huán)嚙合過(guò)程中，由于相對(duì)的滑動(dòng)極易造成鏈輪的失效，對(duì)鏈輪及鏈環(huán)間的接觸進(jìn)行分析，如圖2所示。

如圖2所示，其中FiN1和FiN3為有載側(cè)鏈窩底面對(duì)平環(huán)的應(yīng)力;FiN2為有載側(cè)鏈窩側(cè)面對(duì)平環(huán)的應(yīng)力;Fif1和Fif2為有載側(cè)平環(huán)和第一及第二個(gè)立環(huán)間的摩擦力;F為有載側(cè)的拉應(yīng)力;r為鏈輪節(jié)的半徑。將平環(huán)和鏈窩間的摩擦系數(shù)設(shè)定為f，所以可以得到公式：

通過(guò)對(duì)實(shí)際鏈輪及圓環(huán)鏈實(shí)際磨損進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，常見(jiàn)的磨損主要出現(xiàn)在鏈輪的鏈窩位置，當(dāng)鏈條及鏈輪進(jìn)行嚙合運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于鏈條及鏈輪中間會(huì)夾雜一定的矸石，造成部件發(fā)生磨損，當(dāng)磨損增大到一定程度時(shí)，部件發(fā)生變形及破壞。

3 數(shù)值模擬計(jì)算分析

本文對(duì)圓環(huán)鏈和鏈輪間的接觸進(jìn)行數(shù)值模擬，首先選擇abaqus數(shù)值模擬軟件，利用Catia軟件進(jìn)行模型的建立，后導(dǎo)入abaqus中。對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)參數(shù)的設(shè)定，鏈輪的彈性模量206GPa、屈服極限230 MPa、密度7000 kg/m3;圓環(huán)鏈的彈性模量210GPa、屈服極限1170 MPa、密度7800 kg/m3。

其中圓環(huán)鏈的材料選擇為23MnCrNiMo，鏈輪的材料選擇為30CrMnTi。完成模型參數(shù)設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)需要考慮計(jì)算精度及計(jì)算機(jī)的運(yùn)行性能，網(wǎng)格劃分過(guò)細(xì)會(huì)大大加大計(jì)算機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，網(wǎng)格劃分過(guò)于粗疏會(huì)降低計(jì)算結(jié)果的精確實(shí)性，所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)需要在精度的基礎(chǔ)上降低網(wǎng)格的密度。對(duì)模型進(jìn)行邊界設(shè)置，鏈條的拉應(yīng)力設(shè)定為7.3kN，運(yùn)行速度為0.78m/s，分析步設(shè)定為200，完成設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)觀察可知，鏈輪的應(yīng)力集中位置主要集中在鏈輪的鏈窩位置，即鏈輪與鏈環(huán)的接觸位置，同時(shí)由于鏈環(huán)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到波動(dòng)載荷及鏈輪的多邊效應(yīng)，所以使得鏈環(huán)受到的應(yīng)力主要在鏈環(huán)的彎臂和直臂過(guò)渡的位置，在鏈輪的鏈窩位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中最大值為524MPa，鏈窩位置的應(yīng)力最大值是由于在鏈輪啟動(dòng)瞬間帶動(dòng)平環(huán)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，瞬間產(chǎn)生較大的沖擊載荷，當(dāng)啟動(dòng)完成后，鏈輪在額定功率下逐步趨于平穩(wěn)，此時(shí)鏈輪的鏈窩在接近立環(huán)的位置出現(xiàn)應(yīng)力216MPa，鏈輪平穩(wěn)運(yùn)行。觀察應(yīng)力集中位置，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中部位的面積較小，所以極易發(fā)生破損，當(dāng)鏈輪持出現(xiàn)啟動(dòng)停止的操作時(shí)，鏈輪發(fā)生磨損變形，且失效。對(duì)圓環(huán)鏈鏈輪嚙合的速度云圖進(jìn)行分析如圖3所示。

從圖3可以看出，速度在鏈輪的輪齒部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大速度為嚙入鏈環(huán)的位置，最大的速度為0.86m/s，鏈輪圓鏈輪嚙合速度的最小值出現(xiàn)在嚙出端的鏈環(huán)部位，速度最小值為0.03m/s。鏈輪的速度與其位移分布規(guī)律幾乎類(lèi)似，這是由于在鏈輪啟動(dòng)瞬間時(shí)，鏈環(huán)的位移與其應(yīng)變規(guī)律呈現(xiàn)正比例規(guī)律，在鏈輪帶動(dòng)鏈環(huán)時(shí)，在鏈環(huán)嚙入位置出現(xiàn)最大的速度。對(duì)圓環(huán)鏈嚙合的應(yīng)力進(jìn)行分析，其主受力環(huán)為圓環(huán)鏈的左平環(huán)位置，在圓環(huán)鏈?zhǔn)艿津?qū)動(dòng)時(shí)，鏈環(huán)彎臂位置出現(xiàn)圓環(huán)鏈的最大應(yīng)力，且接觸面積較小，此時(shí)的左平環(huán)最大受力為782MPa，驅(qū)動(dòng)瞬間產(chǎn)生主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的平環(huán)受到的集中應(yīng)力更加明顯，但應(yīng)力的最大值主要出現(xiàn)在被動(dòng)運(yùn)動(dòng)的鏈環(huán)位置，且由于為被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以鏈環(huán)會(huì)受到一定的振動(dòng)，從而導(dǎo)致在主動(dòng)驅(qū)動(dòng)與被動(dòng)運(yùn)動(dòng)的接觸位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，反復(fù)如上的作用，使得刮板輸送機(jī)的圓環(huán)鏈發(fā)生磨損變形，從而發(fā)生接觸位置的斷裂，影響刮板輸送機(jī)的正常工作。

4 結(jié)論

①本文通過(guò)理論分析對(duì)刮板輸送機(jī)的圓環(huán)鏈間及鏈環(huán)與鏈輪間的嚙合過(guò)程進(jìn)行分析，且對(duì)其接觸的受力情況進(jìn)行分析，為后續(xù)的數(shù)值模擬研究建立基礎(chǔ);②利用abaqus數(shù)值模擬軟件對(duì)鏈輪應(yīng)力及速度云圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力的最大值為524MPa，鏈輪平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，鏈輪的鏈窩在接近立環(huán)的位置出現(xiàn)應(yīng)力216MPa，鏈輪平穩(wěn)運(yùn)行。在嚙入端的鏈環(huán)位置出現(xiàn)速度的最大值為0.86m/s;③利用數(shù)值模擬軟件對(duì)圓環(huán)鏈應(yīng)力云圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在圓環(huán)鏈的左平環(huán)位置出現(xiàn)最大應(yīng)力為782MPa，鏈環(huán)的接觸位置由于驅(qū)動(dòng)沖擊，極易發(fā)生磨損變形。