結(jié)合虛擬樣機技術(shù)的刮板鏈故障受力特性分析

張 行，江 帆，賈晨曦，張 鑫

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院智能制造學院，江蘇徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇徐州 221116）

1 引言

煤炭作為我國最主要的能源，對國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的作用不可替代[1]，“三機配套”綜采技術(shù)集支護、設備推進、采煤和物料運輸?shù)葹橐惑w，是目前應用最為廣泛的井下開采技術(shù)。刮板輸送機承擔著采煤機截割煤壁落煤的第一道工序，是綜采工作面協(xié)同高效采煤的關(guān)鍵機械裝備[2]。我國所研制的刮板輸送機平均開機率只有17%，設備壽命低、故障率高[3]，刮板鏈故障失效約占所有故障的63%[4]，其中以卡鏈和斷鏈故障最為常見。

受到自身材質(zhì)、過載磨損、異常沖擊以及人為因素等的影響，刮板鏈是鏈傳動系統(tǒng)最易發(fā)生故障的組成部件，其受力變化可直接反映刮板輸送機的運行狀態(tài)。因此，研究典型故障工況下刮板鏈的受力變化特性，對于刮板輸送機的安全可靠運行意義重大。

刮板鏈是鏈傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件，工作環(huán)境較為惡劣，對其受力特性研究較為困難。

目前對刮板鏈的受力特性研究包括基于數(shù)學模型的理論分析[5?6]以及簡單的實驗測量[7]，集中于正常工況條件下單鏈系統(tǒng)刮板鏈的受力分析與測試，尚缺乏對雙鏈系統(tǒng)故障工況下刮板鏈受力行為的研究。

研究中基于虛擬樣機技術(shù)[8]建立了雙鏈鏈傳動系統(tǒng)虛擬樣機模型，模擬刮板輸送機的實際生產(chǎn)環(huán)境，研究了不同運行狀態(tài)下刮板鏈的受力特性，可為刮板輸送機的故障診斷提供理論支撐和技術(shù)解決方案，有效提高刮板輸送機運行的可靠性。

2 虛擬樣機建模

2.1 刮板輸送機三維建模

基于Creo2.0結(jié)構(gòu)設計模塊對SGZ1250/3×1200型刮板輸送機鏈傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進行參數(shù)化建模[9]，并采用“自頂向下”的設計方法建立裝配體骨架模型，對各組成部件進行虛擬裝配，進而快速建立中雙鏈刮板輸送機三維模型。研究中建立了刮板輸送機骨架模型，如圖1（a）所示。圖中左（右）鏈平面和左（右）鏈系統(tǒng)軌跡用于左（右）單鏈系統(tǒng)的安裝，所示基準軸及對應的基準點APNT1和APNT2用于機頭、機尾鏈輪的安裝定位，安裝坐標系A(chǔ)CS0和ACS1用于確定不同槽體的安裝位置。依據(jù)單鏈系統(tǒng)軌跡可快速構(gòu)建左（右）單鏈系統(tǒng)裝配體，基于參數(shù)化建模和骨架模型可快速修改關(guān)鍵部件的幾何尺寸和各組成模塊的裝配關(guān)系，進而實現(xiàn)刮板輸送機關(guān)鍵部件的模型構(gòu)建和三維模型的快速更新。所建模型主要包括驅(qū)動機構(gòu)、槽體和單鏈系統(tǒng)等，如圖1（b）所示。驅(qū)動機構(gòu)包括機頭和機尾鏈輪；槽體由機頭、機尾槽及中部槽組成；單鏈系統(tǒng)分為左、右單鏈系統(tǒng)，由橫鏈、立鏈和刮板組成。

圖1 刮板輸送機三維模型Fig.1 3D Model of Scraper Conveyor

2.2 虛擬樣機模型

將所建立的刮板輸送機三維模型導入ADAMS 仿真軟件并進一步進行模型簡化，通過設置部件的實體屬性，建立各組成部件之間的約束關(guān)系，最終可構(gòu)建雙鏈鏈傳動系統(tǒng)的虛擬樣機模型，如圖2所示。虛擬樣機模型主要包括驅(qū)動鏈輪、左（右）單鏈系統(tǒng)和運輸槽等主要部分，由2個驅(qū)動鏈輪、1個運輸槽、32個刮板和380個刮板鏈共同構(gòu)成封閉的雙鏈牽引鏈傳動系統(tǒng)。在驅(qū)動鏈輪的作用下，刮板和刮板鏈可沿著運輸槽循環(huán)運行。

圖2 鏈傳動系統(tǒng)虛擬樣機模型Fig.2 Virtual Prototype Model of Chain Drive System

2.3 求解設置

刮板輸送機實際運行過程中，鏈傳動系統(tǒng)在驅(qū)動鏈輪與刮板鏈的嚙合作用下連續(xù)運輸物料，各關(guān)鍵組成部件之間存在著復雜的運動和約束關(guān)系。對不同部件之間的約束關(guān)系進行設置，如圖3（a）所示。

圖3 運行條件Fig.3 Operating Conditions

其中：（1）驅(qū)動鏈輪和系統(tǒng)框架之間設置平面旋轉(zhuǎn)副；（2）驅(qū)動鏈輪和刮板、驅(qū)動鏈輪和橫鏈、運輸槽和刮板、運輸槽和立鏈以及相鄰刮板鏈之間設置接觸副；（3）運輸槽與系統(tǒng)框架、刮板和與其接觸的鏈條之間設置固定副。模型的仿真求解屬于多剛體系統(tǒng)的多接觸求解問題，為了克服求解困難、避免接觸干涉，設置GSTIFF積分器的求解算法為SI2降階法，不同部件之間接觸副的剛度系數(shù)k=1.0×104Nmm、阻尼系數(shù)為c=50N·s/mm，設置仿真時長為4s，仿真步數(shù)（steps）為1.0×104步。對驅(qū)動鏈輪的平面旋轉(zhuǎn)副施加轉(zhuǎn)速驅(qū)動，驅(qū)動函數(shù)設置為：step(time，0，0，1，2.56)，如圖3（b）所示。

鏈輪的轉(zhuǎn)速在（0～1）s時間內(nèi)線性增加至2.56rad/s，并勻速運行至4s時刻，以此確保刮板鏈和刮板最終以1m/s的速度沿運輸槽穩(wěn)定平穩(wěn)運行。

3 刮板鏈故障工況

刮板輸送機實際傳輸過程中，刮板鏈的主要故障失效形式為卡鏈故障和斷鏈故障，以正常工況下鏈傳動系統(tǒng)的虛擬樣機建模與仿真設置（圖3）為基礎(chǔ)，通過設置故障失效條件，可用于研究卡鏈故障工況和斷鏈故障工況條件下刮板鏈的受力變化規(guī)律。鏈傳動系統(tǒng)發(fā)生卡鏈故障時，故障位置處刮板鏈卡頓繃緊；發(fā)生斷鏈故障時，故障位置處刮板鏈斷裂，相鄰刮板鏈接觸中斷并分離。為了分析刮板鏈的故障失效行為，設置橫鏈與立鏈之間接觸副的剛度系數(shù)k突增模擬鏈傳動系統(tǒng)的張緊卡鏈，通過解除橫鏈與立鏈之間的接觸副模擬刮板鏈的斷裂分離。通過設置接觸副的主要參數(shù)可快速模擬卡鏈故障和斷鏈故障的發(fā)生，進而實現(xiàn)刮板鏈的受力特性分析。

（1）卡鏈故障工況

為模擬卡鏈故障的發(fā)生，對運輸槽平直段立鏈part 20和相鄰橫鏈part 020 之間接觸副的剛度系數(shù)k，如圖4 所示。設置如下：①在（0～3）s內(nèi)，接觸剛度k值和正常工況下相同，即k=1.0×104Nmm；②在（3～4）s內(nèi)，剛度增大為k=2.0×104Nmm。即：

圖4 刮板鏈故障設置示意圖Fig.4 Setting of Chain Faults

將右單鏈系統(tǒng)橫鏈part020和立鏈part21之間的接觸副標記為#2，相對應地，將左單鏈系統(tǒng)相同位置的接觸副標記為#1。

（2）斷鏈故障工況

為模擬斷鏈故障的發(fā)生，通過編寫Simulation Script 腳本控制命令解除右單鏈系統(tǒng)立鏈part20 和橫鏈part020 之間的接觸副：①在（0～3）s內(nèi)，接觸副與正常運行工況下的設置相同；②在（3～4）s內(nèi)，設置腳本命令使指定ID的接觸副失效。腳本指令的具體設置如下：

!Insert ACF commands here：

SIMULATE/DYNAMIC，END=3.0，STEPS=7500 DEACTIVATE/CONTACT，ID=21

SIMULATE/DYNAMIC，END=4.0，STEPS=10000

4 刮板鏈故障受力特性

相鄰刮板鏈之間的接觸力能夠直接反映鏈傳動系統(tǒng)的運行狀態(tài)，研究故障工況下刮板鏈的受力特性可通過分析刮板鏈之間接觸力的變化規(guī)律來實現(xiàn)。

4.1 接觸力變化特性

基于刮板鏈故障工況設置進行仿真求解，當發(fā)生卡鏈故障時，可得接觸副#1和#2處的接觸力變化，如圖5所示。由圖可知，刮板輸送機的運行經(jīng)歷了開機起動、勻速運行和故障狀態(tài)3個階段：（1）在（0～1）s內(nèi)，鏈傳動系統(tǒng)起動加速，運行狀態(tài)不穩(wěn)定，接觸副#1和#2的接觸力變化不規(guī)律；（2）在（1～3）s內(nèi)，鏈傳動系統(tǒng)正常運行且處于穩(wěn)定狀態(tài)，受到多邊形效應的影響，接觸副#1和#2的接觸力皆呈現(xiàn)規(guī)律的周期性波動，波動周期約為0.4s；（3）在（3～4）s內(nèi)，鏈傳動系統(tǒng)發(fā)生卡鏈故障，接觸副剛度系數(shù)k突增致使刮板鏈卡頓，左、右單鏈系統(tǒng)各自對應接觸副#1和#2的接觸力相對于正常階段皆明顯增大，并在t=4s 時刻分別增大至2703N 和2770N。

圖5 卡鏈故障工況下雙鏈系統(tǒng)相同位置處的刮板鏈接觸力變化Fig.5 Contact Force of Scraper Chains at Same Position of Double?Chain System for Chain Jam

進一步地，可分析鏈傳動系統(tǒng)斷鏈故障工況下接觸副#1和#2處的接觸力變化，如圖6所示。

圖6 斷鏈故障工況下雙鏈系統(tǒng)相同位置處的刮板鏈接觸力變化Fig.6 Contact Force of Scraper Chains at Same Position of Double?Chain System for Chain Breakage

與卡鏈故障工況類似，斷鏈故障工況下刮板鏈接觸力同樣經(jīng)歷3個階段的變化：（1）在（0～1）s的起動加速階段，接觸副#1和#2的接觸力變化不規(guī)律。（2）在（1～3）s內(nèi)，接觸副#1和#2的接觸力均呈現(xiàn)周期性波動，波動周期約為0.4s。（3）在（3～4）s內(nèi)，指定ID的接觸副被解除，接觸副#2所處的右單鏈系統(tǒng)斷裂，相互接觸的刮板鏈分離，接觸力瞬間降低，由于橫鏈part020 和相鄰的立鏈part21之間仍存在部分區(qū)域接觸，故接觸副#2的接觸力逐漸衰減為零；右單鏈系統(tǒng)發(fā)生斷鏈故障后，左單鏈系統(tǒng)被張緊，接觸副#1的接觸力明顯增大，并在t=4s時增大至2803N。

4.2 刮板鏈故障測試實驗

本節(jié)通過開展刮板鏈故障測試實驗測量刮板鏈的實際應變值，基于實驗方法驗證雙鏈鏈傳動系統(tǒng)虛擬樣機模型的有效性，并對刮板鏈故障受力變化特性做進一步研究。

4.2.1 故障測試實驗臺

實驗依托于SGZ630/55型刮板輸送機實物樣機展開，實驗裝置由刮板輸送機、應變傳感器、無線采集設備和計算機等組成。所述故障測試實驗設備的現(xiàn)場安裝，如圖7所示。SAK120型應變傳感器以半橋貼片方式膠粘于刮板鏈的上表面，用于測量左、右單鏈系統(tǒng)相同位置處刮板鏈的應變值，傳感器的布置采用雙鏈系統(tǒng)布置方式，測試位置分別標記為測點#1 和#2，如圖7（b）所示。TST5925EV 無線動態(tài)采集儀體積較小，通過底部磁座吸附于刮板上表面，可隨刮板同步運行，用于刮板鏈應變數(shù)據(jù)采集，并將信號傳輸至遠程無線AP，最終存儲于計算機進行數(shù)據(jù)處理。刮板輸送機開機起動，最終以V0=1m/s的速度沿中部槽勻速平穩(wěn)運行。

圖7 鏈傳動系統(tǒng)故障測試實驗臺：（a）綜采設備；（b）應變測量Fig.7 Test Bench for Fault Testing of Chain Drive System

以上述實驗條件為基礎(chǔ)，開展鏈傳動系統(tǒng)的卡鏈故障和斷鏈故障實驗，對故障工況下刮板鏈的應變信號進行無線采集及遠程傳輸、存儲。故障條件設置如下：

（1）卡鏈故障

在刮板輸送機中部槽頂板表面固定沖擊梁，并在刮板上布置工字鋼型障礙物，如圖8（a）所示。

圖8 刮板鏈故障實驗Fig.8 Fault Experiment of Scraper Chain

刮板輸送機正常運行時，障礙物可隨著刮板沿中部槽中板表面同步運行，并與沖擊梁相撞，造成電機的堵轉(zhuǎn)，導致刮板鏈的卡頓。

（2）斷鏈故障

將牽引鏈的一端與中部槽銷軌固定，另一端與刮板輸送機右單鏈系統(tǒng)的刮板鏈連接，如圖8（b）所示。牽引鏈鏈條的尺寸規(guī)格為Φ10×40mm；因牽引鏈承載強度遠弱于實驗臺刮板鏈，刮板輸送機運行時牽引鏈隨著刮板鏈共同運行并逐漸拉緊，最終達到張力承載極限發(fā)生斷裂，以此模擬刮板鏈斷鏈發(fā)生的瞬態(tài)過程。

4.2.2 實驗驗證與分析

依據(jù)故障實驗可獲得卡鏈故障發(fā)生時測點#1 和#2 的應變值，如圖9所示。由圖分析可知，在正常階段，測點#1和#2的實測應變值呈現(xiàn)周期性波動，波動周期約為0.2s；在t＝0.66s時，卡鏈故障發(fā)生使刮板鏈張緊，測點#1和#2的應變值皆明顯增大，并在t＝1s時分別增至130.6με和81.29με。與圖5所述卡鏈故障工況下的虛擬樣機仿真結(jié)果對比，可知：（1）在正常階段，左、右單鏈系統(tǒng)接觸副#1和#2的接觸力與刮板鏈的實測應變皆表現(xiàn)出周期性波動；（2）卡鏈故障發(fā)生階段，與刮板鏈測點#1和#2的實測應變變化規(guī)律一致，接觸副#1和#2的接觸力值均明顯增大。

圖9 卡鏈故障工況下雙鏈系統(tǒng)相同位置處的刮板鏈應變Fig.9 Strain of Scraper Chains at Same Position of Double?Chain System for Chain Jam

研究斷鏈故障發(fā)生時刮板鏈測點#1和#2的應變值，如圖10所示。

圖10 斷鏈故障工況下雙鏈系統(tǒng)相同位置處的刮板鏈應變Fig.10 Strain of Scraper Chains at Same Position of Double?Chain System for Chain Breakage

由圖可知：正常運行階段測點#1和#2的應變值均呈現(xiàn)周期性波動，波動周期約為0.2s；在t=0.66s時，斷鏈故障發(fā)生使得右單鏈系統(tǒng)測點#2的應變值明顯下降，繼而左單鏈系統(tǒng)繃緊使得測點#1的應變值明顯增大。與圖6所述斷鏈工況下的虛擬樣機仿真結(jié)果對比，可知：（1）在正常階段，左、右單鏈系統(tǒng)接觸副#1和#2的接觸力與實測應變值的變化規(guī)律一致，皆呈現(xiàn)周期性波動；（2）解除接觸約束右單鏈系統(tǒng)斷裂，接觸副#2的接觸力明顯下降，接觸副#1的接觸力明顯增大，與斷鏈故障工況下的實測應變值變化規(guī)律一致。

此外，鏈傳動系統(tǒng)的嚙合傳動具有明顯的多邊形效應[10]，刮板鏈穩(wěn)定運行狀態(tài)下的受力變化呈現(xiàn)周期性波動，波動周期tN的大小與驅(qū)動鏈輪的轉(zhuǎn)速n、齒數(shù)N有明確關(guān)系，即：

由式（2）進行理論計算，可得：SGZ630/55型刮板輸送機刮板鏈應變信號的理論波動周期為0.17s，與實測刮板鏈應變數(shù)據(jù)曲線的波動周期一致；SGZ1250/3×1200型刮板輸送機刮板鏈張力信號的理論波動周期為0.35s，與虛擬樣機仿真求解所得接觸力曲線的波動周期一致。

因此，所建立的雙鏈鏈傳動虛擬樣機模型可有效地模擬刮板輸送機的實際運行工況。

5 總結(jié)

刮板輸送機不斷向重型化、大功率、長距離和智能化方向發(fā)展，文章基于鏈傳動系統(tǒng)虛擬樣機仿真和刮板鏈故障測試實驗，研究了正常運行、卡鏈故障和斷鏈故障工況下刮板鏈的受力行為，通過對刮板鏈故障受力特性的研究，為開展重型刮板輸送機的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷方法研究提供了依據(jù)，并可應用于設備的智能維護管理，確保煤礦安全高效生產(chǎn)。