刮板输送机链传动系统的动力学特性分析

张 璞

（阳煤集团一矿机电工区， 山西 阳泉 045008）

引言

刮板输送机作为煤炭开采时所不可缺少的机械设备，其在确保煤炭生产企业正常、高效生产方面扮演着十分重要的角色。刮板输送机是依靠链传动系统进行工作的，因链传动系统是一个半柔性体结构，在工作的过程中，由于外载荷的作用，会产生较大的振动、冲击，这样会严重影响在传动过程中的稳定性，同时也加剧了链条的磨损，极大地降低了刮板输送机的使用寿命和工作可靠性[1]，因此如何优化刮板输送系统的结构，优化其在工作过程中的动力学特性，成为煤炭生产企业迫切需要解决的问题。

1 链传动的多边形效应

刮板输送机在运行过程中之所以会产生振动、冲击主要是由于链条传动过程中的多边形效应引起的。多边形效应是指链条在刚进入主动链轮时，链轮转过一个齿，水平方向链速就从小到大、再从大到小变化一次，同时伴随着链条竖直方向上下运动一次，链条忽上忽下颤抖且由于接触部分是多边形的，从而引起链传动的运动不均匀性现象。因此为了研究刮板输送机链传动系统在工作过程中的动态特性，首先对链传动的多边形效应进行分析，如图1所示。

图1 链传动速度分析示意图

由图1所示，当链条在销链上运动时，销链带动链条沿顺时针方向进行运动，此时链轮上的其他销链是不会直接参与到牵引链条运动中去的，此时A处的销链和主动链轮运转的线速度V=Rω，方向垂直于OA，设此时与链条在垂直运动方向上的夹角为β，则可由此计算出A位置的销链实际牵引链条运行的线速度为[2]：

在实际工作的过程中夹角β是在不断地变化着，因此即便是链轮以恒转速运转，链条的速度也是处于不断变化的过程中的，且经分析可知，当角度时链条的运行速度最低，当角度β=0时链条的速度最高，在链轮带动链条运转的过程中链速是进行周期性变化的，其变化周期的大小主要取决于链轮的运行速度和链轮上链节的数量Z，链轮的运行速度越高，链轮的齿数越少，链条在运行过程中的速度变化范围就越大。

当牵引链条的速度发生变化的时候，位置A处的链条上下运动，其链速也是不断地呈周期性的变化，可表示为：

可见，由于运行速度的不断变化最终导致了链传动过程中的多边形效应，从而导致了链传动过程中的不稳定性。

因此根据分析结果，在设计链传动的链轮的时候尽量将链轮设计成接近于圆形，增加链轮的齿数，可有效减少链传动过程中的多边形效应，降低在传动过程中的振动和冲击[3]。

链传动在运行的过程中会产生纵向振动和横向振动，在不考虑磨损的前提下，链传动的多边形效应对链传动的纵向振动影响要远大于对横向振动的影响，因此我们需要对链传动过程中纵向振动的情况进行分析，将链传动系统假设为一个弹簧振子系统，假设链条的质量均集中在链条销接点处，如下页图2所示。

图2 链条纵向振动的数学模型

则链条纵向振动的矩阵微分方程可表示为：

式中：[M]为链传统系统的质量矩阵；[K]为链传统系统的刚度矩阵；x为纵向位置的偏移量。

2 刮板输送机链传动的仿真分析

利用Creo三维建模软件建立刮板输送机系统链传动的三维模型，并将其导入到ADAMS/View中进行仿真分析[4]，其三维模型如图3所示。

图3 链条传动的三维模型

为了对刮板输送机在不同运行速度下的运行情况进行分析，分别设置链轮的运行速度为110 rad/s、90 rad/s、70 rad/s为分析对象，仿真分析结果如图4—图6所示。

图4 角速度为110 rad/s情况下链速变化曲线

图5 角速度为90 rad/s情况下链速变化曲线

图6 角速度为70 rad/s情况下链速变化曲线

由分析结果可以看出，当链轮的运行角速度为110 rad/s时，链传动系统在运行时的波动差为0.015 m/s；当链轮的运行角速度为90 rad/s时，链传动系统在运行时的波动差为0.014 m/s，当链轮的运行角速度为70 rad/s时，链传动系统在运行时的波动差为0.012 m/s，因此，适当降低刮板输送机的运行速度可以显著提高链传动系统在工作时的稳定性，降低磨损消耗，提高其使用寿命。

刮板输送机的链传动系统，在运行过程中链环与链轮之间的接触力会随着其运行速度的变化而变化，接触力越大，越容易导致链环的磨损，其仿真分析结果如图7所示。

图7 链轮与链环接触位置接触力变化曲线

根据分析结果可知，在齿轮与链环在啮合过程中，在约1.7 s时开始啮合，在链轮带动链环过程中接触力随着啮合的深入而迅速增大，在约2.3 s时达到接触力的最大值，然后随着链轮和链环的脱离，接触力会逐渐地降低，啮合时间越长其力的分散越彻底，因此适当降低刮板输送机的传送速度有助于减少啮合时的磨损，延长链传动系统的使用寿命。

3 结论

通过对刮板输送机链传动系统的研究，在总结实践经验的基础上，研究分析影响刮板输送机链传动系统运行稳定性的因素和实际需求，采用ADAMS仿真分析软件对刮板输送机在不同运行速度情况下的动力学情况进行仿真分析。分析结果表明，链传动系统在运行过程中的振动、冲击情况会随着运行速度的降低而减小，因此适当降低刮板输送机的运行速度可以显著提高链传动系统在工作时的稳定性，降低磨损消耗，提高其使用寿命，对确保刮板输送机链传动系统的正常工作具有十分重要的意义。