摘    要：考慮到常規研究綜采工作面刮板輸送機過彎曲段時僅針對鏈傳動系統進行了分析，而實際工作中隨著推溜與拉架動作的進行，作為刮板輸送機的主要支撐構件的中部槽會有一部分組合成彎曲段，針對此種工況，借助ADAMS虛擬樣機仿真軟件開展了動力學分析，并進行了實驗驗證。研究結果揭示了過彎曲段處相鄰的兩中部槽之間位移、夾角、速度的變化情況，以及彎曲段處中部槽啞鈴窩與啞鈴銷軸之間的接觸力變化特性。

關鍵詞：刮板輸送機;彎曲段工況;力學特性;啞鈴銷軸;虛擬樣機技術;

0 引言

長期在復雜環境下運行的刮板輸送機，往往會受到異常載荷的影響，嚴重時還會造成停機或斷鏈事故。尤其是近些年，隨著采煤量、輸送機功率、運輸距離、運輸量的不斷提高，對刮板輸送機的穩定性的要求越來越高。刮板輸送機異常載荷影響主要分為3種形式：（1）常規運行阻力（主要為所運輸物料與刮板之間的相互作用力）；（2）運送形態阻力（主要為刮板輸送機作業時沿途路線形態的不同，而導致的刮板與中部槽相互碰撞與摩擦）；（3）故障狀態阻力（比如刮板輸送機發生卡鏈、斷鏈等異常故障等）。

郄彥輝等簡化刮板輸送機的推滑以及拉架等工作狀態，并對其運動過程中的受力情況進行分析，最后對中間槽結構進行改進。李秋生等對重型刮板機在不同工作條件下產生的不同阻力進行了研究、分析和總結，并針對各種情況選擇符合條件的理論支撐，最后在適宜理論的基礎上研究了確保重型刮板輸送機能夠正常工作的有效措施。焦宏章等在MSC.ADAMS軟件上構建了刮板輸送機鏈輪虛擬樣機的傳動系統模型，主要分析了頭部和尾部驅動扭矩和合力扭矩的變化規律。王堯等以動力學相似理論為研究基礎對10種不同工作情況下多機驅動刮板輸送機驅動系統的運動學與動力學特性,有助于業界進行鏈傳動系統現場試驗與控制方法優化。

綜上所述，經過多年的發展，國內學者針對刮板輸送機鏈條傳動特性方面的研究較多，而對刮板機的中部槽與啞鈴銷之間的動力學問題則研究尚淺，運輸機工作時啞鈴銷與中部槽的接觸關系亦十分復雜，如果僅通過動力學建模來進行計算，不僅工作量大且精度較低。因此，為了更準確的研究刮板輸送機在經過彎曲段線路形態時的中部槽與啞鈴銷的動力學特性，在分析時綜合考慮了物料負載阻力，通過ADAMS對刮板輸送機過彎曲段的動力學特性進行模擬分析，得到了各節中部槽之間夾角、速度的變化規律以及中部槽啞鈴窩與啞鈴銷之間接觸力的變化，研究結果將為刮板輸送機的優化設計提供理論參考。

1 虛擬樣機仿真分析

1.1 仿真參數設置

(1）中部槽運動系統模型參數設置

針對本次仿真所研究的關鍵問題，對刮板輸送機三維實體模型進行了一定程度的簡化，只保留了中部槽槽體結構與各節段連接所用的啞鈴銷，其基本參數設置如表1所示。

表1 仿真參數表  下載原圖

(2）接觸參數

在虛擬樣機中事先將接觸參數進行設置，中部槽和中部槽之間、中部槽和啞鈴銷之間的接觸設定為Steel接觸，其中的接觸參數

式中k———剛度系數；

c———接觸系數；

δ———穿透量；

δ·———穿透量的一階導數；

m1,m2,m3———剛度、阻尼和穿透指數。

通過一系列計算后得到所需設置的接觸剛度為1.0×104N/mm，接觸阻尼為50 N·mm/s。

(3）貨載阻力的模擬

根據刮板輸送機的作業方式來看，可將刮板輸送機中部槽分為有載側和回空側，刮板輸送機的有載側與所運輸的物料直接接觸，本次研究時，為方便計算運行阻力，我們將中部槽內充填的物料及其上層堆積的物料速度直接看作與鏈條速度相等。根據刮板中部槽的結構特點和散料力學理論可知，在穩定運行條件下，鏈條在有載側的運行阻力

其中，載貨段摩擦因數

在理想條件下空載側鏈條的運行阻力

式中qL———單位長度的刮板鏈質量，kg/m;

qC———單位長度刮板上貨物的質量，kg/m;

gn———重力加速度，gn=9.8 m/s2;

β———輸送機傾角；

μss———鋼與鋼的摩擦因數；

μcs———煤與鋼的摩擦因數；

μcc———煤與煤的摩擦因數；

γ———輸送貨物的密度，kg/m3;

λ———側壓因數；

H———貨物的高度，m;

h———輸送機刮板的高度，m。

本次仿真主要參數取μ0=0.3，μss=0.32,q=220 kg/m，本次研究所用的刮板輸送機為SGZ1000/1050型刮板輸送機，根據以上公式算得仿真時所施加有載側與回空側阻力分別為236 kN和61.75 kN。

1.2 預處理

本文采用ADAMS軟件就刮板輸送機在通過彎曲段的過程進行模擬仿真。在Solid Works內構建中部槽三維模型，并將其保存格式設置為*.x＿t文件格式，最后將保存的模型輸入至ADAMS軟件，顯示結果如圖1所示。

圖1 多個中部槽ADAMS仿真模型圖  

在推溜形成“S”彎時，相鄰的中部槽之間采用啞鈴銷相連，其優勢在于前節中部槽帶動后一節中部槽向前運行時可形成一定的旋轉角。工作時，啞鈴銷受力與啞鈴窩之間產生接觸碰撞、相連接的兩中部槽之間由于慣性力的作用也會發生接觸碰撞，而且該接觸力較大。通過ADAMS軟件選擇合適的接觸關系，這里的接觸類型選擇固-固接觸，在刮板運送物料的過程中始端第1節中部槽通過液壓推桿的推動作直線移動，其相連的第2節中部槽在啞鈴銷的連接作用下被向前拖動，同時第2節中部槽會因為第3節中部槽的拉力作用而發生一定程度的水平旋轉。所以第1節中部槽必須固定3個方向的旋轉自由度以及2個方向的移動自由度，剩余中部槽必須固定2個旋轉自由度以及1個移動自由度，在ADAMS中設置約束時，第1節中部槽采用平移副，剩下的中部槽采用平面副。

為了獲得更好的測量模擬結果，給仿真模型裝配7個水平角度測量MODEL-100-ANGLE，作用是測量中部槽水平旋轉角度；于第1節中部槽處裝配1個位移測量MODEL-100-DPY，作用是測量推桿推移的直線距離。

最后，利用ADAMS/View提供的仿真模型自檢工具進行約束、冗余方程等的檢驗，驗證結果顯示近似自由度數為192個，移動構件48個，平面連接11個，平移連接3個以及8個固定連接，無過約束方程，模型驗證正確。

1.3 仿真與結果分析

對多節中部槽形成S形彎曲段的過程進行動力學仿真，當第1節中部槽往前推進一個截深時仿真完成。仿真前后模型狀態如圖2所示。

圖2 中部槽ADAMS仿真效果圖 

仿真過程中液壓推桿加速推進，仿真結束時間為0.12 s，中部槽推進距離共500 mm。液壓推桿向前推動中部槽的過程中，先被推動的中部槽利用啞鈴銷把力和力矩傳遞給后面與其相連接的中部槽，然后慢慢帶動后面相鄰的中部槽運動。仿真最終結果如圖3所示。

由圖3可知，液壓推桿向前推移首節中部槽時，首節中部槽通過啞鈴銷帶動第2節中部槽向前推進；同時第2節中部槽向前運動并向內旋轉一定角度與第3節中部槽形成夾角，因為第2節中部槽受到第1節中部槽內側的擠壓，使其不能向內側旋轉，繼續往前運動，另其往外產生一定程度的水平旋轉，內側夾角逐步減小直至消失，同時外側夾角逐漸增大，使得靠外一側的啞鈴銷受到很大的拉力，從而帶著第3節中部槽運動；同理可知，第3、4節中部槽與第2節中部槽的運動的路線完全相同。第6節中部槽會對第5節中部槽靠外一側進行擠壓，第4、5節中部槽朝內的一側沒有出現擠壓，第5節中部槽在靠內的啞鈴銷驅動向前運行，和前4節運行狀態相比，水平旋轉的方向稍有不同；同理，第6、7、8節中部槽運行狀態基本和第5節相同，第9節及以后的中部槽受前面中部槽的影響較小，甚至可忽略不計。通過圖3(a）可以看出，刮板輸送機在液壓推桿的驅動下推溜運行，此時，在各中部槽之間依靠啞鈴銷連接，導致形成S形彎曲段時，中部槽運行軌跡與拋物線近似。通過圖3(b）可以看出，在中部槽前移時，在彎曲段形成過程中，通過前半個彎曲段的中部槽速度波動小，基本趨于勻速；通過后半個彎曲段的中部槽會因為啞鈴受力突增，導致速度波動十分劇烈。通過圖3(c）可以看出，刮板輸送機產生S形彎曲時，第1節中部槽會因為設置約束的緣故，會與第2節中部槽形成一個約2°的夾角，因為第9節設有約束，使得其前2節中部槽在彎曲段運行時，也會形成一個2°的水平夾角，其他各中部槽所產生的水平夾角小于1°。

研究刮板輸送機在彎曲段運行的力學特性，重點是探究中部槽在不同姿態時啞鈴銷上的力的變化。所以，在進行S形彎曲段刮板輸送機運行特性仿真時，也要同時仿真中部槽受力狀況，得到中部槽彎曲過程接觸力變化如圖4所示。

圖3 中部槽彎曲過程位移、速度和夾角變化曲線圖 

圖4 中部槽過彎時接觸力變化圖 

通過圖4可知，在刮板輸送機的彎曲段形成時，各節中部槽相互接觸碰撞，從而產生較大的瞬態接觸力，該值一般會大于給定載荷的10倍。中部槽運動時，啞鈴銷與啞鈴窩的接觸力最大值同時發生在中部槽接觸力最大值時刻，而且它的值一般較給定載荷稍小。

2 實驗

通過實驗測試對比前文進行的動力學仿真，驗證仿真分析所得出的相關結論的正確性，在試驗臺中設置了啞鈴銷的張力測試裝置，監測時，將張力應變片固定在啞鈴銷銑平處的位置上并做好保護，搭建的試驗臺如圖5所示。

圖5 啞鈴銷受力感知實驗臺圖  

共改造實驗用啞鈴銷2支，分別為靠近煤壁側啞鈴銷A和遠離煤壁側啞鈴銷B，應變片安裝位置為啞鈴銷軸頸端處。在實驗測試前，需對啞鈴銷張力應變片進行測試前標定，標定時，將拉力機設定適宜載荷后進行多次標定測試，計算平均值作為該應變值，不同應變片數據標定如表2所示。

表2 應變片數據標定表 

根據表2中4組加載值和微應變數據進行數值擬合，得到作用力與傳感器測得微應變的關系：

(1)A1應變片測試時對應的徑向力

(2)A2應變片測試時對應的徑向力

(3)B1應變片測試時對應的徑向力

(4)B2應變片測試時對應的徑向力

式中CA1,CA2,CB1,CB2———所測各傳感器的微應變。

在進行實驗的過程中，測試點位置先后2次進入彎曲段，如圖6、圖7所示，刮板輸送機啞鈴銷的載荷曲線的波動能夠反應出啞鈴銷與啞鈴窩接觸力狀態。在實驗至200 s時，物料裝載使得啞鈴銷受力發生突變，可以看出有貨載時4枚應變片應力突變極值分別為300、282、137、450 kN；在820 s時測試位置進入彎曲段時，應力出現更大的一次波動，對應為刮板機推溜動作對中部槽啞鈴銷產生的較大沖擊力作用，遠離煤壁側啞鈴窩內的啞鈴銷軸由于被推移而產生偏轉角，在彎矩的作用下，使得啞鈴銷軸承受的拉力載荷激增，最大值達到600、153 kN；且由于彎曲角的存在靠近煤壁側啞鈴窩內的啞鈴銷所受拉力作用在瞬時顯著減小后又恢復，可見在進入彎曲段過程中，遠離煤壁側啞鈴銷軸為受力的薄弱點。

3 結語

(1）研究刮板輸送機過彎曲段工況動力學特性。研究結果可知:瞬時接觸力峰值約大于穩定載荷的1個數量級（6～10倍）。中部槽向前時，啞鈴銷與啞鈴窩的接觸力最大值同時發生在遠離煤壁側過彎曲段的過程中。

圖6 遠離煤壁側啞鈴銷軸應力變化曲線圖

圖7 靠近煤壁側啞鈴銷軸應力變化曲線圖 

(2）通過實驗分析手段驗證了過彎曲段工況下刮板輸送機啞鈴銷與中部槽啞鈴窩接觸力特性理論分析的正確性。

(3）主要針對過彎曲段工況進行研究，探究了同一時刻彎曲段處中部槽的速度、位移、夾角變化情況。

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文章來源煤炭技術