徐貴旭

(山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030013)

0 引言

電纜拖拽裝置是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)電纜往返運(yùn)動(dòng)的主要設(shè)備，惡劣的工作環(huán)境以及落煤等外載荷沖擊力的長(zhǎng)期作用，會(huì)造成采煤機(jī)電纜掉槽、拉斷或者卡死等故障，嚴(yán)重影響采煤機(jī)的開采效率[1-4]。為了提高采煤機(jī)電纜傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，降低電纜拖拽裝置的故障率，本文對(duì)高河礦所用采煤機(jī)電纜拖拽裝置中的圓環(huán)鏈條進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，目的是為采煤機(jī)電纜拖拽裝置的安全可靠運(yùn)行提供指導(dǎo)。

1 采煤機(jī)電纜拖拽裝置結(jié)構(gòu)

圖1為采煤機(jī)電纜拖拽裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要由鏈條、支撐滑塊、電纜夾、滑動(dòng)底座等零部件組成。工作過程中通過電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)，從而使鏈條1沿采煤方向前后移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)拖拽裝置和電纜沿采煤機(jī)運(yùn)行方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)采煤機(jī)上行開采時(shí)，拖拽裝置帶著電纜在采煤機(jī)前方運(yùn)動(dòng)，當(dāng)采煤機(jī)開始下行開采時(shí)，拖拽裝置帶著電纜在采煤機(jī)后面運(yùn)動(dòng)，整個(gè)開采過程中采煤機(jī)電纜只在圍繞電纜夾輪處形成一次彎曲，使得電纜在工作過程中既保證一定的張力又不會(huì)形成多次彎曲和折疊現(xiàn)象。

1-鏈條；2-鏟煤楔形塊；3-鏟煤板；4-滑動(dòng)底座；5-鏈條連接板；6-支撐滑塊；7-電纜夾輪架；8-電纜夾輪；9-電纜夾

2 電纜拖拽裝置傳動(dòng)系統(tǒng)選型

采煤機(jī)電纜夾作為輸送電纜運(yùn)動(dòng)的輔助零件，運(yùn)動(dòng)過程中不能承受較大的水平拉力作用。因此，一般的電纜小車都單獨(dú)設(shè)計(jì)有傳動(dòng)系統(tǒng)，從而避免電纜夾的牽引帶動(dòng)。高河礦井下工作面較長(zhǎng)，且工作環(huán)境惡劣，在傳動(dòng)系統(tǒng)中可以選用鏈傳動(dòng)或者鋼絲繩傳動(dòng)方式。本文設(shè)計(jì)中選擇鏈傳動(dòng)作為拖拽裝置的傳動(dòng)方式。

鏈條傳動(dòng)過程中主動(dòng)輪的理論驅(qū)動(dòng)力F與電纜夾運(yùn)行阻力Ft、輪架運(yùn)行阻力Fg、鏈條的摩擦阻力F1之間存在如下關(guān)系[5]：

F=Ft+Fg+F1.

(1)

拖拽裝置動(dòng)力部分圓環(huán)鏈選擇規(guī)格如下：鏈條型號(hào)規(guī)格為Φ18×64 mm，鏈條單重qk=64.68 N/m，鏈條破斷負(fù)荷FB=410 kN?？梢杂?jì)算得到主動(dòng)鏈輪驅(qū)動(dòng)力F=59.848 kN，對(duì)應(yīng)鏈輪齒數(shù)為6。

拖拽裝置需求功率為：

Px=Fv/η.

(2)

其中：v為拖拽小車的最大運(yùn)行速度，m/s；η為拖拽電機(jī)的效率。

一般拖拽小車的最大運(yùn)行速度取v=0.33 m/s，拖拽電機(jī)的效率為η=0.86，考慮到功率裕度后得到電機(jī)的計(jì)算功率Pz為：

(3)

通過計(jì)算得Pz=28.9 kW,綜合考慮選擇功率為30 kW、額定轉(zhuǎn)速為1 470 r/min的隔爆變頻三相異步電機(jī)。主動(dòng)鏈輪扭矩值T為：

T=F×r.

(4)

其中：r為主動(dòng)鏈輪的節(jié)圓半徑，取值0.123 m。

鏈輪的理論轉(zhuǎn)速為：

n=v/d.

(5)

其中：n為鏈輪轉(zhuǎn)速，r/min；d為鏈輪周長(zhǎng)，m。

輸出的額定轉(zhuǎn)矩為：

Te=9 550Pzη/n.

(6)

驅(qū)動(dòng)扭矩設(shè)計(jì)裕度：

f=Te/T.

(7)

鏈條的安全系數(shù)：

s=FB/(2.2Pzη/v).

(8)

通過式(3)～式(8)可以得到本文選用型號(hào)鏈條的計(jì)算結(jié)果，如表1所示。由表1可知，所選圓環(huán)鏈滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 Φ18×64 mm圓環(huán)鏈計(jì)算結(jié)果

3 仿真分析

圓環(huán)鏈傳遞具有傳遞功率大、效率高的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)井下較為惡劣的工作環(huán)境，但同時(shí)鏈條傳遞由于其運(yùn)動(dòng)速度的變化，會(huì)造成鏈條上下擺動(dòng)并引起一定的振動(dòng)，鏈條節(jié)距越大，齒數(shù)越少，振動(dòng)就越強(qiáng)烈[6]，因此需要對(duì)圓環(huán)鏈在工作過程中的受力情況進(jìn)行分析。本文首先應(yīng)用Pro/E軟件對(duì)圓環(huán)鏈和鏈輪進(jìn)行三維建模，然后應(yīng)用RecurDyn軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析。建立的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

圖2 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)實(shí)際情況，仿真過程設(shè)置鏈輪的驅(qū)動(dòng)速度為3 rad/s，系統(tǒng)運(yùn)行最大阻力為59.848 kN，鏈輪半徑為123 mm，計(jì)算可得鏈輪受到的負(fù)載扭矩為7×103N·m，在仿真分析中選擇鏈條松邊某一鏈環(huán)作為研究對(duì)象。

圖3為鏈環(huán)質(zhì)心速度曲線。從圖3可以看出：在鏈傳動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)的0 s～0.3 s內(nèi)，鏈環(huán)質(zhì)心速度存在劇烈波動(dòng)，出現(xiàn)速度峰值約為2.9 m/s，之后鏈環(huán)速度逐漸恢復(fù)平穩(wěn)，說明鏈環(huán)在啟動(dòng)瞬間受到較大沖擊作用，由于鏈環(huán)處于松邊，因此速度變化幅值較大；在1 s～1.5 s時(shí)間段出現(xiàn)了小幅波動(dòng)，表明此時(shí)鏈環(huán)與從動(dòng)輪逐漸嚙合，由于接觸力的作用出現(xiàn)了速度上下波動(dòng)；當(dāng)運(yùn)行至2 s左右時(shí)，鏈環(huán)速度出現(xiàn)較大波動(dòng)，此時(shí)鏈環(huán)與從動(dòng)鏈輪嚙合逐漸分離，進(jìn)入鏈條緊邊，鏈條傳動(dòng)中的多邊形效應(yīng)造成了鏈環(huán)的抖動(dòng)；在運(yùn)行至3.5 s左右時(shí)，鏈環(huán)速度出現(xiàn)了嚴(yán)重波動(dòng)，說明此時(shí)鏈環(huán)脫離主動(dòng)鏈輪的嚙合，開始進(jìn)入鏈條的松邊運(yùn)行，鏈環(huán)接觸力突變，加上鏈條的多邊形效應(yīng)，使得鏈環(huán)形成較大振動(dòng)。

圖3 鏈環(huán)質(zhì)心的速度曲線

圖4為鏈環(huán)與主動(dòng)鏈輪接觸力變化情況。從圖4可以看出：在0 s～2.2 s時(shí)，由于鏈環(huán)與主動(dòng)鏈輪不接觸，因此接觸力為零；2.2 s以后鏈環(huán)與主動(dòng)輪開始嚙合，兩者之間的接觸力迅速增大，并且在2.5 s左右達(dá)到最大值；之后隨著嚙合分離，接觸力逐漸變小，3.5 s后接觸力變?yōu)榱?，鏈環(huán)進(jìn)入松邊運(yùn)行。

圖5為鏈環(huán)與從動(dòng)鏈輪接觸力的變化情況。從圖5可以看出：大約在0.3 s時(shí)鏈環(huán)與從動(dòng)鏈輪開始接觸，鏈環(huán)接觸力開始迅速升高，在1 s左右達(dá)到最大值，并在1.4 s左右與從動(dòng)鏈輪接觸脫離，接觸力迅速減低。

圖4 鏈環(huán)與主動(dòng)鏈輪間的接觸力

圖5 鏈環(huán)與從動(dòng)鏈輪間的接觸力

圖6為鏈環(huán)與相鄰鏈環(huán)之間接觸力變化情況。從圖6可以看出：在0 s～0.3 s鏈條開始運(yùn)行瞬間，由于鏈輪啟動(dòng)帶來較大的交變載荷，造成相鄰鏈環(huán)之間的接觸力迅速增大，并且達(dá)到最大值54 kN左右；在1.4 s左右，鏈環(huán)開始與從動(dòng)鏈輪進(jìn)行嚙合接觸，因此可以看到相鄰鏈環(huán)間的接觸力降低；在運(yùn)行至2 s左右，鏈環(huán)進(jìn)入緊邊運(yùn)行，相鄰鏈環(huán)間接觸力出現(xiàn)增大；2.5 s時(shí)，鏈環(huán)與主動(dòng)鏈輪接觸，接觸力再次減小。

圖6 鏈環(huán)與相鄰鏈環(huán)接觸力

4 結(jié)論

本文對(duì)采煤機(jī)電纜拖拽裝置中的鏈條進(jìn)行選型和計(jì)算，在Pro/E中建立了圓環(huán)鏈傳動(dòng)三維模型，并應(yīng)用RecurDyn軟件對(duì)鏈傳動(dòng)過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過上述分析可知：

(1) 鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)，由于鏈輪交變載荷作用使得鏈環(huán)受到較大的沖擊載荷作用，并且此時(shí)相鄰鏈環(huán)之間的接觸力出現(xiàn)峰值。

(2) 在運(yùn)行過程中，由于鏈條傳動(dòng)存在多邊形效應(yīng)，會(huì)加大鏈環(huán)傳遞過程中的振動(dòng)，加劇鏈環(huán)與鏈輪的接觸力波動(dòng)。

分析表明鏈環(huán)運(yùn)行過程中的彈性變形和系統(tǒng)慣性狀態(tài)的改變是鏈條啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)較大的主要原因，而鏈條穩(wěn)定運(yùn)行后鏈傳動(dòng)本身的多邊形效應(yīng)是其振動(dòng)的主要原因。