基于ADAMS,的刮板输送机多工况动力学特性仿真分析

高永亮

（晋中职业技术学院，山西 晋中 030600）

刮板输送机为综采工作面与采煤机、液压支架相互配套使用的运输设备，为采煤机提供运行轨道，为液压支架提供推溜动力，其承担着承上启下的角色。在多年技术引进、技术研发的基础上我国刮板输送机产品在使用性能、寿命等方面已经可满足实际生产的需求。但是，鉴于综采工作面生产效率的不断提升，对其在复杂工况下整体的动力学特性提出了更高的要求，尤其是在链轮与链条、减速器齿轮以及刮板与中部槽的传动等方面；
同时，掌握刮板输送机的卡链原因并掌握其运行状态也非常有必要[1]。本文将通过数值模拟方式对刮板输送机在复杂工况下的动力学特性进行研究。

刮板输送机作为综采工作面的运输设备之一，其不单单承担工作面的运输任务，还为采煤机提供行走轨道，为液压支架提供推溜支点。普通刮板输送机的结构如图1 所示。

图1 普通刮板输送机的结构

本文所研究刮板输送机的型号为SGB420/17，该刮板输送机为双边链，链条的尺寸规格为14 mm×50 mm，中部槽的尺寸规格为1 200 mm×420 mm×150 mm。在实际生产中，该刮板输送机的额定运输量为50 t/h，刮板链的平均传动速度为0.78 m/s。

结合刮板输送机链传动系统的整个结构，对模型作出如下简化：

1）本文所研究刮板输送机的链传动系统为双链型式，由于链传动系统为左右对称结构，因此，搭建模型时仅选择其中一边的链条和链轮为研究对象。

2）本文的研究重点为刮板输送机的链传动系统，因此，对于与链传动系统影响不大的部件可简化忽略不计。

刮板输送机与采煤机、液压支架统称为综采工作面的“三机”，其具有复杂的运行模式和受力特性，主要表现在以下几个方面：

1）由于综采工作面生产条件复杂、环境恶劣，除了煤层片帮等恶劣工况的影响外，刮板输送机运输负载会随着采煤机的往复运动、截割深度的变化以及液压支架的推移等运动状态发生变化。

2）在刮板输送机结构方面，链条和链轮之间的传动由于存在多变效应导致链条的运动模式更加复杂，其对应的受力情况也相对复杂。同时，链条会发生弹性拉长加剧了链条的复杂性。

鉴于上述两项主要原因，本节将基于ADAMS 软件对刮板输送机的动力学特性进行仿真分析，重点对不同运行阻力、不同运行速度以及不同地形条件等工况下的差异性特性进行分析。

兼顾数值模拟分析的速度和结果准确性两项因素，在刮板输送机整体模型的基础上对其进行简化处理，简化后的虚拟样机模型如下页图2 所示。

如图2 所示，本次仿真分析的主要对象为刮板输送机的链传动系统，重点包括有刮板输送机链传动系统中的驱动链轮、从动链轮、平环以及立环等[2]。基于上述虚拟样机模型的仿真背景为复杂工况，包括链速分别为0.2 m/s、0.4 m/s、0.6 m/s 和0.8 m/s；
链传动载荷分别为20 kN、30 kN 和40 kN；
地形倾角分别为2°、4°、6°、8°以及10°。设定仿真时间为3 s。

图2 刮板输送机链传动虚拟样机模型

在上述仿真条件设置的基础上通过对不同工况下的结果进行分析得出对应的仿真结论，为后续研究奠定基础。

3.1 不同链速工况下刮板输送机动力学特性分析

对链速分别为0.2 m/s、0.4 m/s、0.6 m/s 和0.8 m/s时对应刮板输送机机尾链轮的转速进行仿真对比研究。设定刮板输送机链速采用step 函数进行启动，启动开始0.5 s 后链速达到预设的要求。仿真结果如图3 所示。

图3 不同链速对应刮板输送机机尾链轮的转速对比

如图3 所示，从整体上分析刮板输送机机尾链轮的转速与机头链轮的基本区域一致。在0～0.1 s 的时间间隔内，由于重力因素的影响导致其链条松弛，从而导致机尾链轮出现反向运动的情况。当机尾链轮转速在0.5 s 后趋于稳定后，受到链轮多边效应的影响，随着链速的增加对应机尾链轮转速也出现了频率更高的周期性波动[3]。

3.2 不同载荷工况下刮板输送机动力学特性分析

对载荷分别为20 kN、30 kN 和40 kN 时对应刮板输送机机头链轮转矩进行仿真对比研究。设定刮板输送机的链速为0.8 m/s。仿真数据如表1 所示。

如表1 所示，随着刮板输送机载荷的增加对应机头链轮的转矩增加，振动幅度也相应增加；
而机头链轮转矩波动周期与其载荷大小无关，波动周期平均为0.130 s。

表1 不同载荷对应刮板输送机机头链轮转矩对比

3.3 不同地形倾角工况下刮板输送机动力学特性分析

以机头链轮的中心为轴心，分别对地形倾角分别为2°、4°、6°、8°以及10°工况下刮板输送机链环间接触力的变化情况进行仿真分析。本次仿真设定载荷为30 kN，刮板输送机链速为0.8 m/s，仿真结果如图4 所示。

图4 不同地形下刮板输送机链环间接触力变化

如图4 所示，在2 s 的仿真时间前，刮板输送机链环间的接触力与地形的倾角大小无关，这是由于链环此时位于刮板输送机的紧边运行；
而当链环运行至刮板输送机的松边时，刮板输送机链环间接触力的变化处于无规律的、杂乱交替的变化趋势，与地形倾角无直接关系[4-5]。因此，通过仿真分析可知，刮板输送机链条间接触力与其所运行地形的倾角无关。

刮板输送机为综采工作面生产中实现采煤机、刮板输送机一体化工作的中间纽带，其对综采工作面的生产具有不可替代的作用。为提升刮板输送机的运输效率和可靠性，开展对刮板输送机动力学特性的研究非常有必要；
本文在此基础上设计了一款可对刮板链安全运行状态监测的装置，从而达到预防卡链事故发生的目的。具体总结如下：

1）受到链轮多边效应的影响，随着链速的增加对应机尾链轮转速也出现了频率更高的周期性波动。

2）随着刮板输送机载荷的增加对应机头链轮的转矩增加，振动幅度也相应增加；
而机头链轮转矩波动周期与其载荷大小无关，波动周期平均为0.130 s。

3）刮板输送机链条间接触力与其所运行地形的倾角无关。

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