刮板链传动系统及其受力波动特性的实验与仿真研究_郭亮.pdf

刮板链传动系统及其受力波动特性的实验与仿真研究郭亮（山西华阳新材料股份有限公司一矿，山西阳泉045000）摘要：作为煤矿综采设备中的关键一环，刮板输送机的传动系统可以说是其运作的核心。刮板输送机传动系统的工作效率的高低，关乎到煤矿安全生产的效率。停机事故的发生多半是传动系统中的某元件出现故障，然而故障的产生与传动系统在工作时受到的载荷作用有很大的关系，主要研究了刮板输送链传动系统的受力波动特性，以提高煤矿安全生产的效率。关键词：刮板链传动系统波动特性中图分类号：TD528.3文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0035-03引言传动系统作为刮板输送机的关键组成结构，其工作效率及可靠性在很大程度上影响着煤矿井下的生产进度。所以，在准备阶段，要全面分析故障发生的因素，从而当设备出现载荷波动时能减轻影响。主要研究了刮板输送机传动系统在工作时出现的波动现象，同时还从多个角度出发，侧面分析刮板链传动系统在运行时的特性，研究的目的在于对传统的传动系统进行改革和优化，减少刮板输送链在工作时出现的故障，保障井下的安全生产，从而达到提升井下煤矿生产效率、增长国内煤炭行业的经济收益以及社会效益的目的。1刮板输送机国内外研究动态20 世纪 40 年代初，由德国的学者率先研制了矿用刮板输送机，同时于 50 年代中期首次将其应用到井下的综采设备配套工作中。刮板输送机的工作环境适应性较强，因为它的中部槽可弯曲，从而应用到国内的各行各业。关于刮板输送机的发展，实现了从轻型到重型，再从重型带特重型的演变。它的链传动系统也实现了单链传动到双链传动的进化。20 世纪 70 年代初，由山西大同某煤矿首先应用了德国生产的刮板输送机。此后的 10 年间，国内的各个企业和研究院通过对引进设备的分析研究，最终由张家口的某煤矿机械公司成功研发了国内首台矿用刮板输送机。又过了 5 年，国内关于此方面的研究突飞猛进，同时还实现了刮板输送机的横向弯曲自移的效果。在 90 年代初，国内已经可以做到综采设备的配套生产，并且还在刮板输送机的各项性能的研究中也取得了重大的成果1。2刮板输送机链传动系统动态波动特性的理论研究2.1链传动系统的速度及加速度波动特性在链传动系统中，平环对应的是和齿轮啮合然后传递动力的部分，而立环则是连接平环的同样对传动起到一定效果的部分。刮板链在旋转时，由于形状和大小的不同，传动时并不能达到平稳的状态。因此，在工作时，啮轮的运行轨迹大都呈现不规则多边形。所以，传动系统的传动速度会产生周期性的变化，这种现象在工程中称之为速度的多边形效应。将啮入平环的速度分解，其中沿着运行方向的速度就是机头部的刮板链的运行速度。当刮板链随着链轮传动时，后部的链不停地给啮入平环一个向后的力的作用，从而使得啮轮始终与链条保持一个单侧的啮合状态，如图 1 所示。相比于机头部，双轮驱动状态下，机尾部链轮与刮板链的啮合状态，以及受力方式都不相同，从而链的波动特性也不尽相同，然而还是可以依据多边形的接触方式来研究其波动的特性。啮合的平环受到自身质量、摩擦力及其与前链之间的连续张力的约束。在绕轮转动时，在前链槽上会产生较大的滑动，与前发动机链轮齿的机械结合面也会发生变化。在整个啮合过程中，发动机链轮的两个小齿面均与水平环接触。即根据尾部刮板链与链轮的啮合及接触特性，即可作出如下页图 2 所示的啮合示意图。2.2链传动系统的啮合接触波动特性按照发动机链轮在整体啮合过程中的接触状况，收稿日期：2022-01-06作者简介：郭亮（1986），男，河北雄县人，本科，毕业于山西大学商务学院信息与计算科学专业，机电助理工程师，从事井下开拓、掘进工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.013图 1机头部啮合示意图啮合点紧边链松边链F试验研究机械管理开发第 38 卷把啮合期分成啮进阶段、啮合力阶段和啮出阶段2。啮合力阶段是指刮板供应链条圆弧表面和链轮链座之间的稳定接触，以及动能的传递阶段。在分析中，链轮链条环的实际运动方式可以看作等价：将链轮视为静止，链条环在张力 F 的作用下绕车轮旋转。等效啮合过程可以简化，如图 3 所示。图中 为驱动链轮角速度；p 为刮板链节距；d 为刮板链直径；O 为转动中心。当平环 1 在链窝内完成与链轮的啮合后，立环 2绕旋转中心 A 作逆时针转动并完成与链轮的啮合，随后平环 3 绕旋转中心 B 作逆时针旋转并完成与链轮的啮合。后续链环顺次完成与链轮的啮合，并最终实现刮板链传动系统的传动。3刮板输送机链传动系统动态波动特性的实验研究3.1刮板链加速度波动测定实验在这次实验里，布置了 6 个测点来测试加速度的大小，它们分别布置在平环的两侧以及立环的上侧，具体的分布如图 4 所示。将各个测点的运动方向进行一个设置，其中将刮板链的运行方向设置成 X 方向，将水平位移的方向设置成 Y 方向，将垂直波动方向设置成 Z 方向。针对以上测点的三个方向的加速度，进行分析，可以知道随着实验的进行，测点在 X 方向以及 Z 方向上的加速度波动比较明显。针对 Y 方向上的加速度，并不能发现其规律，同时还发现平环在波动时比立环要明显，主要原因是由于在运行时，立环与中部槽的表面始终处于接触的状态，它们之间产生的摩擦力会阻碍其发生水平方向的摆动。笔者认为，两条链环之间的接触模式可以近似看作多个点接触，其中每一个链环中的 X 方向或 Z 方向的加速度改变，都会对 Y 方向上的加速度产生干扰。但是由于 Y 方向加速度的大小比较小，在本次实验中可以忽略3。3.2刮板链张力波动测定实验这次实验，选取的刮板链是 20 kg/m 的规格，其中每个刮板重 30 kg，各个刮板之间的距离为 0.86 m，刮板链的整体铺设距离为 95 m。如果实验刮板链在紧边段传动时，可以发现处于机头处的刮板链与处于机尾处的刮板链之间的张力相差 14.5 kN左右。将实验中的数据进行收集处理可以发现，处于机头部的刮板链与处于机尾处的刮板链之间的张力差为 13.6kN，理论与实验之间的误差在 5左右。如果实验刮板链在松边段传动时，随着传动过程的进行，最大的张力持续地波动，从最开始脱离啮合区时波动状态比较大，到松边段附近时突然下降，这一现象与理论描述不相符，可以应证松边段波动状态的无规律的变化无法通过理论方法进行张力的预测。4刮板链应力分布及波动特性的仿真研究基于平环与立环的模型，进行了仿真模拟计算，从而得到了如图 5 所示的等效应力图。从图 5 中可以知道，处于平环直线区域时，它的应力分布情况是从中线处到两侧逐级递减，同时还能图 2机尾部啮合示意图图 3链轮链环啮合过程示意图图 4加速度测点位置示意图5-1外观5-2内部图 5平环与立环接触模型等效应力主啮合面副接触面松边链紧边链p+dp-d123FF321A123FBO1O1O1O1O3O2O3O3O2O2测点位置运行方向测点位置1 号2 号3 号4 号6 号5 号512.75 Max484.39456.03427.57399.31370.95342.59314.22285.85257.5229.14200.78172.42144.06115.7 MinUnit：MPaUnit：MPa512.75 Max484.39456.03427.57399.31370.95342.59314.22285.85257.5229.14200.78172.42144.06115.7 Min3-1啮入阶段3-2啮合阶段3-3啮出阶段362023 年第 2 期发现内侧的应力远超过了外侧，在直线段向圆弧段过渡的区域存在着最小的应力；处于弧段区域时，它的最大应力点主要存在于整个链环的上、下段端点极限处，并且呈现对称分布的状态，最大应力值达到了510 MPa 左右。如图 6 所示，为链轮与链环接触的模型等效应力图。从图 6 中可以知道，平环上各个点的应力大小都比对应的立环上的各个点的应力要大，同时还可以发现，平环与链轮接触的区域产生的应力要大于立环在该区域产生的应力，整个模型的最大应力值为 755MPa 左右，最大应力点处于平环与链轮的末端接触点，且这个应力值比材料的屈服强度要小得多。各个链环间的接触效果会随着啮合的进行而产生变化，这也就使得各个链环和相邻的链环间的接触应力不尽相同。因此，综合以上的仿真模拟研究发现，随着平环的运动从直线变为非直线的啮合接触状态时，会出现最大应力点的位置改变，并且相应的应力大小会波动得较为明显。5结论1）在双轮驱动的状态下，处于机头的刮板链与处于机尾的刮板链，其速度的波动特性会发生改变。刮板链在机尾段时，它的链速总体的波动相对不明显，相反，当刮板链处在机头部时，其链速总体波动效果较为显著。2）当刮板链的平环由直线状向弧状转变时，相应的最大应力区会从平环与立环接触的区域向平环与链轮接触的区域过渡，同时相应的波动幅度增大。参考文献1李祥松.煤矿综采装备技术发展趋势分析J.煤炭工程，2015（6）：165-167；171.2马琪鹏.刮板链传动系统力学特性及可靠性研究D.太原：太原理工大学，2018.3王季鑫.刮板输送机链传动系统动态波动特性研究D.太原：太原理工大学，2019.（编辑：王慧芳）图 6链轮链环接触模型等效应力Experimental and Simulation Study on the Force Fluctuation Characteristics of Scraper ChainDrive SystemGuo Liang（No.1 Mine of Shanxi Huayang New Materials Co.,Ltd.,Yangquan Shanxi 045000）Abstract:As a key link in the coal mine fully mechanized mining equipment,the drive system of the scraper conveyor can be said to bethe core of its operation.The working efficiency of the drive system of scraper conveyor is related to the efficiency of coal mine safetyproduction.As far as it is concerned,most of the shutdown accidents are caused by the failure of a component in the transmission system.However,the failure is closely related to the load acting on the transmission system during operation.Therefore,it is of great significance tomainly study the force fluctuation characteristics of the scraper conveyor chain transmission system to improve the efficiency of coal minesafety production.Key words:transmission system;fluctuation characteristics754.17 Max711.99669.82627.64585.46543.28501.11459.74418.37377.01335.54294.27252.91211.54170.17 MinUnit：MPaStudy on the Influence Law of Positive Pre