水泥生料输送链条传动系统的优化设计与应用研究

柯耀星

（杭州东华链条集团有限公司，浙江 杭州 311102）

水泥生料输送链条是工业生产领域中搬运物料的重要机械装置，是工业生产实现自动化的主要装置和设备之一，具有使用过程安全高效、生产链条柔性可变、传动效率高等优势，在食品生产、医药制作、化工产业生产、电子运输、器械生产和烟草生产等行业均有着较广泛的应用。近年来，随着国内工业经济的不断发展和各行业投资规模的不断增加，基础设施建设、汽车生产制造和整车装配等产业的发展，促进了链条产业市场的迅速增长和经济规模的不断扩大。以汽车涂装生产线自动化生产为例，水泥生料输送链条装置是行业内的大型专用设备，尽管其流水生产线工艺技术较为复杂，但水泥生料输送链条能够直接影响汽车生产线的运转过程和成品的最终涂装质量。较传送带而言，水泥生料输送链条的弹性滑动功能更强，在运行移动过程中的打滑频率大幅度降低，单位时间内的传递效率得到有效提高。但与此同时，在水泥生料输送链条的应用过程中，也存在系统设计存在缺陷或者与工业生产线不匹配等问题，导致出现输送轨道积漆维护、修复难度增加等问题。对此，文中对一种水泥生料输送链条传动系统的优化设计与应用进行研究，以期进一步提高水泥生料输送链条的工作效率。

1 水泥生料输送链条传动系统原理与特点

1.1 水泥生料输送链条原理

水泥生料输送链条主要由双排滚子链条链轮部分、托板部分、工件部分、导引部分、星形拨轮模块和张紧装置等部分组成，其架构示意如图1所示。在水泥生料输送链条的应用过程中，任意托板两端分别设计有两个销轴，用于水泥生料输送链条销轴结构的设计优化，也用于连接水泥生料输送链条与托板两个模块，可缩短相邻销轴之间的距离，使两者之间的距离转变为链条的节距距离。星形拨轮模块主要用于上下环节工件的交叉和链接，传输工件位于托板内，在托板的双侧设计沟槽，以便槽沟和托板结构交接处拨轮爪的正常通过和运转，可以根据工件的形状确定水泥生料输送链条托板的形状，保证水泥生料输送链条正常发挥传递功能。

图1 链条原理示意图

1.2 水泥生料输送链条特点

分析水泥生料输送链的运转特点可知，水泥生料输送链条在运行过程中，主要呈现出以下3个特质：首先，水泥生料输送链条正常发挥输送通道功能，有赖于多个托板相邻联结而成的架构设置，借助架构设置外侧的导引条模块，确保水泥生料输送链条在较大运转速度下可以安全输送，以此实现水泥生料输送链条的基本运输功能。同时，水泥生料输送链条星形拨轮模块中，通常设置圆弧段，且进一步将圆弧段和交接通道处设置的导引条相连接，实现两个不同结构中功能的互补，在水泥生料输送链条两排滚子链条两侧，对称设置与托板两边相吻合的模块，确保水泥生料输送链条能够根据工作过程中的运输需要调节托板质量中心点，确保其符合基本要求。其次，在水泥生料输送链条的运转过程中，水泥生料输送链条不仅仅应利用其多边形效应，确保水泥生料输送链条托板结构与链条部分能通过销轴模块相连，杜绝托板运动与链条之间的不良影响，保证水泥生料输送链条托板部分的质量中心与链板的质量中心处于基本重合的状态，避免质量中心错开导致的惯性力矩的存在，也杜绝惯性力矩越大，传输链条托板工件运动平稳性越弱的不良工作情形。最后，在水泥生料输送链条的运转过程中，由于水泥生料输送链条链轮圆弧段运行时较为特殊，当水泥生料输送链条两侧托板质量中心与链条转动半径参数值不相吻合时，水泥生料输送链条的速度、加速度等主要参数将与直线段有所不同，两侧托板质量中心距离水泥生料输送链条链板质量中心的距离参数值越大，水泥生料输送链条在直线段与圆弧段交界处的速度、加速度等诸多参数的变化特征越发明显，也就越不利于工件的交接和稳定。

2 传动系统动力分析

在水泥生料输送链条传动系统运转的过程中，对其受力特征进行综合分析可知，当水泥生料输送链条传动系统运转时，不同零部件之间的受力情况各有不同，水泥生料输送链条传动系统在电机动力的驱使下，将会产生一定的驱动力矩，而水泥生料输送链条传动系统上方连接的料斗，在装载一定质量物料的过程中，将会受到来自被装载物料对料斗运行和转动的阻力、料斗内部装有的具体物料的重力参数以及水泥生料输送链传动系统中各不同的零部件自身的重力等多个力的影响。假如在水泥生料输送链系统正常运行过程中，驱动轴和从动轴的转速参数值、水泥生料输送链条的提升速度参数值等均在设定某一参数值后保持恒定不变状态，进而将水泥生料输送链条传动系统连接的每个料斗分别视作单独离散的质量块，将离散的质量块用弹簧和阻尼器连接起来，就能够进一步得到水泥生料输送链传动系统的动力学模型，然后依托该模型进行力学过程分析。

3 传动系统的优化设计

在水泥生料输送链条传动系统的优化设计过程中，设计人员对传动系统的优化设计目标是利用最少的制造材料和最低的制造成本，避免材料的无谓消耗，生产出成本低廉且具备较强竞争优势的水泥生料输送链条传动系统，获得最大化的经济效益。在此情况下，水泥生料输送链条传动系统的优化主要是借助各式各样措施的应用，实现水泥生料输送链条传动系统各项参数的优化，在满足既定设计方案目标的基础上，实现水泥生料输送链条传动系统流程的优化。本文所提出的水泥生料输送链条传动系统的优化，主要是在确定基础产品目标功能的基础上，分析水泥生料输送链条传动系统产品零部件的各项受力关系和受力特征，结合物理模型表达水泥生料输送链条传动系统的各项受力模型，以实际水泥生料输送链条传动系统设计功能优化为基础，构建目标函数的约束关系，在约束关系的前提下实现函数最优解的求解，得到最佳优化方案。本文对水泥生料输送链条传动系统的优化，主要包括水泥生料输送链条参数的优化设计和对头轴的优化设计两大部分内容。就水泥生料输送链条参数的优化设计而言，水泥生料输送链条参数的优化设计主要包括对直边链板参数的优化设计、对外链节附板的优化设计等诸多内容。

以水泥生料输送链条参数设计中，对直边链板参数的优化设计为例分析，其主要以影响水泥生料输送链条板块结构为分析对象，结合板结构的几何尺寸这一基本参数，在设计水泥生料输送链条对直边链板宽度时，仅仅允许该尺寸在现有的设计要求上增加0.2mm，在设计水泥生料输送链条对直边链板链板节距孔直径时，允许该尺寸在现有的设计基础上增加0.01mm；在设计水泥生料输送链条对直边链板扁形节距孔的宽度，允许该尺寸在现有的设计基础上增加0.1mm；在设计水泥生料输送链条对直边链板相对节距孔中心距离时，允许该尺寸在现有的设计基础上增加1mm；在设计水泥生料输送链条对直边链板链板端部圆弧的半径时，允许该尺寸在现有的设计基础上增加1mm。

在水泥生料输送链条参数设计中，对直边链板参数约束条件设计时，主要利用链板端部圆弧半径、链板的宽度、链板端部几何尺寸、扁形的节距孔圆形的圆弧圆心角等为基础约束条件。其中，水泥生料输送链条参数链板端部圆弧的半径应大于或等于链板宽度的一半，链板的宽度应大于节距孔的宽度，链板端部几何尺寸、扁形的节距孔圆形的圆弧圆心角、面板设计的上下限约束条件等均应该在基础条件下得到满足。此外，针对水泥生料输送链条参数的优化，在考虑链板上危险点的位置时，应该结合危险截面的具体尺寸参数计算危险面的应力强度，将危险截面的应力强度除以安全因数，得到既定条件下的许用应力参数值，再结合链板的疲劳强度安全系数，确保链板的疲劳强度安全系数不低于许用安全系数，从而保证链板能够在受力合理的条件下正常工作。

然后，结合水泥生料输送链条参数的设计中的对直边链板参数的约束条件、基础设计标准等各项因素，利用复合形算法流程对整个应用过程进行目标函数和约束条件的求解计算，在对优化设计函数进行设计的基础上，实现链条结构的优化，重点针对链条现有的尺寸、板材结构的链条内部结构的最大应力和链板在实际应用过程中满足的疲劳强度安全系数等。在对水泥生料输送链条参数设计中，对直边链板参数进行优化设计后，其各项目标参数对比示意如表1所示。

表1 优化前后各项参数对比表

由表1可知，水泥生料输送链条对直边链板参数优化，能够在满足各项标准的前提下，不降低链条强度，也可提高链板质量，确保水泥生料输送链条各项功能正常运行。

4 实际应用

对优化后的各项参数信息进行分析，以试验验证方式实现水泥生料输送链条传送系统各项参数的优化，在此过程中，首先验证水泥生料输送链条传送系统料斗的抛料效果，以卸载物料与装载时的物料质量之差作为水泥生料输送链条传送系统试验判断的标准，采用手工装料方式作为物料装载的基本方法，避免装载时物料质量的较大误差。同时，针对试验研究过程，只以某一个料斗作为填充物料的基础点，在卸料口用密闭的袋子对卸载的物料进行收集，严格按照基本操作规范重复进行了5次试验，物料装载和拆卸的类型为水泥生料，5次试验的结果如表2所示。

表2 试验结果表

由表2可知，水泥生料输送链条传送系统各项参数优化设计完成后，水泥生料输送链条传送系统物料的装载和卸载之间的各项参数变化较慢，其物料质量之差基本在0.4～0.6kg，也就是说，在利用水泥生料输送链条传送系统的优化设计后，物料的装载过程并未受到影响，整个运输过程的实际损失值较小，且在物料的抛洒过程中并未出现较大量的外泄等问题，也就证明了水泥生料输送链条传送系统设计和优化改良的合理性与科学性。

5 结语

在工业经济飞速发展的背景下，对水泥生料输送链条传动系统的优化设计，不仅能够实现该传动系统整体运行效能的快速提升，更能够借助该系统的优化和各项参数的调整，确保水泥生料输送链条传动系统整体运行效率的提高。对此，文中以一种水泥生料输送链条传动系统的优化设计与应用为研究对象，在探究水泥生料输送链条传动系统原理与特点的基础上，分析了水泥生料输送链条传动系统的动力结构，探讨了水泥生料输送链条传动系统的优化设计内容，最后以实例试验为研究对象，论证了水泥生料输送链条传动系统优化设计的合理性、科学性、可操作性和可实践性，以期促进水泥生料输送链条传动系统技术水平的提高。