不同工況條件下刮板輸送機(jī)剛散耦合效應(yīng)研究

王學(xué)文 ，麻豪洲 ，李 博 ，張沛林 ，夏 蕊

（1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院, 山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030024）

0 引 言

刮板輸送機(jī)作為綜采工作面的輸運(yùn)設(shè)備，承擔(dān)著煤巖散料的輸運(yùn)工作，為適應(yīng)綜采智能化發(fā)展，刮板輸送機(jī)不斷向長運(yùn)距、大運(yùn)量、高可靠性、智能化方向發(fā)展[1]。但井下工作環(huán)境惡劣，難以安全有效開展相關(guān)研究，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)由于客觀條件等限制無法充分再現(xiàn)原位條件。而仿真試驗(yàn)可以有效彌補(bǔ)研究成本高、耗時(shí)長、安全性差的缺陷，也可人為控制試驗(yàn)條件，成為一種有效的研究手段。學(xué)者們利用多種數(shù)值方法構(gòu)建機(jī)械與散料的剛散耦合仿真模型[2-3]，對(duì)煤機(jī)裝備進(jìn)行相關(guān)的研究分析[4-6]。

離散元法由于其在分析散料的獨(dú)特優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤機(jī)裝備的相關(guān)研究。學(xué)者們基于離散元法構(gòu)建刮板輸送機(jī)剛散耦合模型[7]，分析煤料與刮板輸送機(jī)的相互作用效應(yīng)，即剛散耦合效應(yīng)。XIA等[8-9]基于EDEM 研究了中部槽的磨損機(jī)理和磨損規(guī)律，分析了不同工況條件和煤料特性下中部槽的磨損。LI 和LIU[10]基于EDEM 研究了刮板、鏈條與中部槽在不同鏈間距、不同刮板距離、不同傾角下的受力及沖擊磨損特性。李康等[11]基于EDEM 研究了不同結(jié)構(gòu)形式和煤料參數(shù)下的磨損特性。李博等[12]基于EDEM 研究了煤料在中部槽的輸運(yùn)特征。刮板輸送機(jī)各零部件之間存在復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，僅通過離散元法無法模擬輸運(yùn)過程中非線性、時(shí)變等特性。為準(zhǔn)確模擬刮板輸送機(jī)的運(yùn)動(dòng)，學(xué)者們基于多體動(dòng)力學(xué)[13]通過構(gòu)建離散元-動(dòng)力學(xué)模型分析研究刮板輸送機(jī)輸運(yùn)過程的剛散耦合效應(yīng)。REN 等[14]基于EDEM 和ADAMS 建立刮板輸送機(jī)模型，研究了鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)在不同載荷和偏心載荷作用下的動(dòng)力學(xué)特性。WANG 等[15]基于EDEM、RecurDyn 和ANSYS 建立了刮板輸送機(jī)中部槽模型，研究了裂紋深度、初始角度和拉伸載荷對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的單因素和交互影響。MA 等[16]基于EDME 和RecurDyn構(gòu)建了刮板輸送機(jī)模型，研究了刮板輸送機(jī)中部槽的力學(xué)效應(yīng)及磨損特性。

針對(duì)目前對(duì)于刮板輸送機(jī)的仿真研究多數(shù)仍采用單一軟件進(jìn)行，構(gòu)建的仿真模型精度較低，同時(shí)考慮到現(xiàn)有研究忽視了煤料載荷的時(shí)變性及其與相關(guān)零部件的相互作用，為有效分析顆粒系統(tǒng)在設(shè)備運(yùn)行中的機(jī)理，以地質(zhì)工況條件和運(yùn)量工況條件作為不同工況條件，分別構(gòu)建離散元-多體動(dòng)力學(xué)仿真模型，研究不同工作傾角、不同走向傾角和不同運(yùn)量工況條件下刮板輸送機(jī)的剛散耦合效應(yīng)。研究可為后續(xù)開展不同工況條件下刮板輸送機(jī)輸運(yùn)狀態(tài)監(jiān)測，關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)提供參考，為后續(xù)開展刮板輸送機(jī)磨損特性和故障分析等研究從細(xì)觀角度分析煤料系統(tǒng)在刮板輸送機(jī)輸運(yùn)過程中形成煤料-中板-刮板（鏈）三體接觸的機(jī)理提供模型構(gòu)建依據(jù)和仿真參考。

1 刮板輸送機(jī)剛散耦合模型構(gòu)建

1.1 刮板輸送機(jī)剛體模型構(gòu)建

1.1.1 刮板輸送機(jī)幾何模型

研究選用SGZ880/800 型號(hào)的刮板輸送機(jī)作為研究對(duì)象。為提高仿真效率，縮短研發(fā)周期，對(duì)仿真模型進(jìn)行必要簡化。研究主要針對(duì)刮板輸送機(jī)剛散耦合效應(yīng)進(jìn)行分析，簡化模型只保留首尾鏈輪、三節(jié)中部槽、刮板和鏈條。同時(shí)添加底槽，使刮板和鏈條可在鏈輪驅(qū)動(dòng)下在中部槽內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行。采用UG 構(gòu)建簡化后的刮板輸送機(jī)幾何模型（圖1），以刮板輸送機(jī)鋪設(shè)方向?yàn)閥向，推移方向?yàn)閤向，豎直方向?yàn)閦向構(gòu)建坐標(biāo)系。

圖1 刮板輸送機(jī)幾何模型Fig.1 Geometric model of scraper conveyor

1.1.2 刮板輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

為真實(shí)模擬刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，將刮板輸送機(jī)幾何模型導(dǎo)入RecurDyn 中，并通過定義零部件的約束及其相關(guān)接觸參數(shù)施加邊界約束。將中部槽、鏈輪軸和底槽與地面添加固定副，首尾鏈輪處添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，用實(shí)體接觸副定義鏈環(huán)之間、鏈環(huán)與刮板、鏈環(huán)和刮板與鏈輪等部件間的接觸關(guān)系，通過定義接觸系數(shù)（剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)、摩擦因數(shù)和穿透深度）使得各接觸零部件可以進(jìn)行力和運(yùn)動(dòng)的傳遞，同時(shí)不會(huì)發(fā)生穿模，接觸系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[17]設(shè)定。刮板輸送機(jī)各零部件接觸約束如圖2 所示。同時(shí)為滿足井下工況需要，刮板輸送機(jī)需要一定的預(yù)緊力。在鏈輪處添加移動(dòng)副，通過改變鏈輪的中心距調(diào)節(jié)鏈條的預(yù)緊力。鏈條張緊后導(dǎo)出刮板輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)模型。并在鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)副添加驅(qū)動(dòng)函數(shù)，通過鏈輪與鏈環(huán)間的接觸、鏈環(huán)間的接觸和鏈環(huán)與刮板間的接觸實(shí)現(xiàn)鏈輪帶動(dòng)鏈條（刮板）的運(yùn)動(dòng)過程。

圖2 刮板輸送機(jī)各零部件接觸約束Fig.2 Contact restraint of various parts of scraper conveyor

1.2 煤料散體模型構(gòu)建

煤料的形狀不規(guī)則，通過球形顆粒難以模擬真實(shí)井下工況。通過對(duì)破碎煤樣顆粒形狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)觀察，顆粒形狀可以大致分為扁平狀、類塊狀和類錐狀[18]。在EDEM 中根據(jù)典型煤顆粒形狀構(gòu)建煤料散體仿真模型。由于煤礦井下煤層地質(zhì)條件不同，造成截割后的煤巖粒度范圍較大，研究為研究底板地質(zhì)工況和運(yùn)量工況對(duì)刮板輸送機(jī)輸運(yùn)過程的影響，根據(jù)GB/T 17608—2022《煤炭產(chǎn)品品種和等級(jí)劃分》標(biāo)準(zhǔn)選取中塊煤（粒度25～50 mm）為研究對(duì)象。結(jié)合構(gòu)建的煤顆粒模型（圖3），3 種形狀的煤顆粒平均粒度為40 mm。

圖3 煤顆粒模型形狀Fig.3 Particle model shape of coal

離散元通過定義參數(shù)賦予材料特性，為保證參數(shù)設(shè)定的準(zhǔn)確性，需要通過相關(guān)標(biāo)定試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。離散元參數(shù)主要包括本征參數(shù)和接觸參數(shù)，研究中使用的參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[19]標(biāo)定獲得，具體參數(shù)見表1和表2。

表1 本征參數(shù)Table 1 Intrinsic parameters

1.3 刮板輸送機(jī)剛散耦合模型構(gòu)建及驗(yàn)證

1.3.1 剛散耦合模型構(gòu)建

在EDEM 中靠近尾輪的中部槽上方處設(shè)置顆粒工廠用于產(chǎn)生煤料，模擬采煤機(jī)截割落料過程。顆粒工廠為850 mm×1 000 mm×200 mm 的立方體區(qū)域，位于中部槽上方900 mm 處。根據(jù)所研究的刮板輸送機(jī)型號(hào)確定配套的采煤機(jī)型號(hào)，根據(jù)文獻(xiàn)[20]計(jì)算出煤料脫離采煤機(jī)滾筒時(shí)的速度，并根據(jù)實(shí)際截割高度進(jìn)行預(yù)仿真試驗(yàn)確定在中板上方900 mm 處煤料的三向速度，通過定義顆粒工廠中顆粒的初速度實(shí)現(xiàn)落料。為進(jìn)一步提高計(jì)算效率，在EDEM 中設(shè)定計(jì)算域?yàn)槿?jié)中部槽及包括顆粒工廠的上方區(qū)域。生成顆粒形狀根據(jù)圖3 設(shè)定，每種形狀各占比1/3，顆粒生成速率根據(jù)研究內(nèi)容設(shè)定。為真實(shí)模擬井下工況，在顆粒工廠位置處添加一個(gè)新的顆粒工廠用于生產(chǎn)矸石顆粒，矸石顆粒形狀根據(jù)圖3 的類塊狀設(shè)定。顆粒間的接觸模型選擇Hertz-Mindlin(no slip)模型。顆粒與幾何體間的接觸模型選擇Archard Wear 模型。研究結(jié)合選用刮板輸送機(jī)型號(hào)以及文獻(xiàn)[12]，設(shè)定滿載情況下中部槽的輸送量為220 kg/s，鏈速為1.1 m/s[12]，確定EDEM 中煤巖散料的顆粒生成速率為220 kg/s，為較真實(shí)符合井下工況，設(shè)定煤料基本生成速率為200 kg/s，矸石生成速度為20 kg/s，RecurDyn 中設(shè)定鏈輪角速度為3.62 rad/s。重力加速度為9.8 m/s2。

1.3.2 離散元模型驗(yàn)證

為提高仿真的準(zhǔn)確性，需要對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行驗(yàn)證。研究基于ML-100C 改進(jìn)型磨粒磨損機(jī)對(duì)離散元模型進(jìn)行驗(yàn)證（圖4）。該磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)經(jīng)過改進(jìn)，可以模擬刮板在中部槽的運(yùn)動(dòng)[21]。在EDEM中，構(gòu)建相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鶕?jù)表1 參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

圖4 磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)示意Fig.4 Abrasive wear testing machine

選取試樣受力和煤料輪廓曲線作為驗(yàn)證指標(biāo)，對(duì)比結(jié)果如圖5 所示。相比試驗(yàn)的試樣受力曲線，仿真曲線由于顆粒與試樣在瞬時(shí)產(chǎn)生擠壓，存在一些突變點(diǎn)，而在試驗(yàn)中由于傳感器的采樣頻率較低，這些突變點(diǎn)沒有被捕捉到。根據(jù)采集到的試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)（圖5a），分別求取平均值，試驗(yàn)平均值為0.94 N，仿真的平均值為0.82 N，誤差為12.77%。選取相同位置的煤料截面輪廓曲線（圖5b），分別對(duì)試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，并對(duì)試驗(yàn)曲線和仿真曲線求取相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)為0.989 6。試驗(yàn)和仿真的試樣受力以及煤料輪廓曲線基本接近，可認(rèn)為離散元模型滿足研究要求[22]。

圖5 離散元模型驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Result of discrete model verification test

1.3.3 動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證

根據(jù)前文構(gòu)建的刮板輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行空載試驗(yàn)仿真，選取尾輪處刮板的位移和速度進(jìn)行分析（圖6）。通過刮板的y向位移可以看出，刮板運(yùn)行較為平穩(wěn)，且在6 s 仿真時(shí)間內(nèi)可滿足刮板完成一次運(yùn)煤。在啟動(dòng)階段，鏈輪角速度逐漸增加至3.62 rad/s后保持不變，刮板的速度也從0 增大到1 m/s 附近波動(dòng)。當(dāng)刮板開始進(jìn)入首輪時(shí)，速度曲線減小，并反向增大至-1 m/s 附近。符合預(yù)設(shè)工況下的真實(shí)變動(dòng)，可認(rèn)為刮板輸送機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型滿足研究要求[22]。

圖6 刮板的y 向位移和速度曲線Fig.6 The y displacement and velocity curve of scraper

1.4 不同工況條件剛散耦合仿真設(shè)定

刮板輸送機(jī)工作環(huán)境十分惡劣，運(yùn)行過程中會(huì)受地理?xiàng)l件、煤質(zhì)因素、機(jī)械因素等，呈現(xiàn)出不同的剛散耦合效應(yīng)。研究針對(duì)不同工作傾角、不同走向傾角（圖7）和不同運(yùn)量工況，研究分析刮板輸送機(jī)的剛散耦合效應(yīng)，圖7 中，α為工作傾角，β為走向傾角。

圖7 刮板輸送機(jī)鋪設(shè)示意[23]Fig.7 Diagram of scraper conveyor laying[23]

研究定義水平運(yùn)輸工況（工作傾角0°）、無傾斜（走向傾角0°）、煤料生產(chǎn)速率200 kg/s 作為正常工況，通過調(diào)節(jié)重力加速度分量實(shí)現(xiàn)對(duì)鋪設(shè)條件（工作傾角和走向傾角）的改變，鋪設(shè)工況條件設(shè)定見表3，示意如圖8 所示。調(diào)節(jié)顆粒工廠的生產(chǎn)速率實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)量的改變，運(yùn)量分別設(shè)置為200、300 和400 kg/s。

表3 鋪設(shè)工況條件設(shè)定Table 3 Setting of working conditions for laying

圖8 鋪設(shè)工況條件示意Fig.8 Diagram of working conditions for laying

2 不同工況條件下運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)

2.1 下運(yùn)工況

井下煤層底板條件復(fù)雜，刮板輸送機(jī)往往難以水平鋪設(shè)，本節(jié)對(duì)不同工作傾角（下運(yùn)工況）和不同走向傾角（傾斜工況）進(jìn)行仿真，選取第三節(jié)中部槽作為研究對(duì)象，分析不同鋪設(shè)條件工況下的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)。

刮板帶動(dòng)煤料實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)對(duì)煤料的輸送，而刮板輸送機(jī)沿工作傾角的傾斜時(shí)，會(huì)由于重力影響煤料的運(yùn)輸阻力，進(jìn)而對(duì)煤料的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。正常工況下煤料分布如圖9a—圖9c 所示，可以看出，刮板前側(cè)煤料堆積較高，在后側(cè)則形成明顯的凹陷（圖9a），煤料在中部槽的中間堆積最高，達(dá)到煤料休止角后，煤料向兩側(cè)槽幫流動(dòng)（圖9b），且刮板后側(cè)煤料也明顯少于前側(cè)（圖9c），兩節(jié)刮板之間煤料的運(yùn)動(dòng)具有相似的趨勢，煤料整體呈現(xiàn)堆狀間歇分布。以圖9a 所示，測量最高堆積點(diǎn)位置，L為最高點(diǎn)距后一節(jié)刮板的距離，H為最高點(diǎn)距中板的距離，測量結(jié)果如圖10 所示，可以看出不同下運(yùn)工況條件下H變化基本相同；而L則隨著工作角度逐漸減小，這是由于當(dāng)堆積煤料達(dá)到休止角后，煤料最高點(diǎn)H基本不變，但由于重力分量的影響，下運(yùn)工況會(huì)使得堆積煤料向前運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而會(huì)改變?cè)瓉淼亩逊e形貌形成一個(gè)新的堆積，使煤料堆積最高點(diǎn)逐漸后移。

圖9 正常工況煤料分布Fig.9 Coal distribution under normal conditions

圖10 下運(yùn)工況最高點(diǎn)位置Fig.10 Position of highest point in downward conditions

2.2 傾斜工況

傾斜工況下煤料分布如圖11 所示，可以看出，正常工況條件下，煤料堆積最高處基本位于中部槽的中線位置（圖9b），而傾斜工況下煤料則向傾斜一側(cè)堆積。分別測量煤料最高點(diǎn)距中板距離H和偏移距離Q，如圖12 所示，可以看出，最高點(diǎn)距中板的距離與下運(yùn)工況類似，基本保持不變，而偏移距離則由于重力分量的影響，煤料向傾斜側(cè)有運(yùn)動(dòng)趨勢，導(dǎo)致最高點(diǎn)向傾斜側(cè)偏移。選取鏈條兩側(cè)區(qū)域煤料進(jìn)行分析，傾斜工況下煤料質(zhì)量曲線如圖13 所示，可以看出正常工況下兩區(qū)域煤料質(zhì)量基本相同，隨著傾角增大，A 區(qū)域內(nèi)的煤料少于B 區(qū)域，且呈現(xiàn)一定的滯后性，中部槽內(nèi)煤料的分布不均。

圖11 傾斜工況煤料分布Fig.11 Coal distribution under inclined condition

圖12 傾斜工況最高點(diǎn)位置Fig.12 Position of highest point under inclined condition

圖13 煤料質(zhì)量曲線Fig.13 Quality curve of coal

2.3 不同運(yùn)量工況

取刮板輸送機(jī)中間3 個(gè)刮板間的煤料分布（圖14），可以看出運(yùn)量200 kg/s 時(shí)煤料在中部槽內(nèi)呈現(xiàn)堆狀間歇分布，隨著運(yùn)量提高，煤料分布由堆狀間歇分布轉(zhuǎn)為階梯狀分布。不同運(yùn)量工況下通過刮板輸送機(jī)中間位置的質(zhì)量流率如圖15a 所示，可以看出由于刮板帶動(dòng)煤料運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量流率存在明顯的周期性變化，200 kg/s 的質(zhì)量流率最大值在200 kg/s附近與運(yùn)量基本一致，而300 kg/s 和400 kg/s 的質(zhì)量流率則沒有達(dá)到設(shè)定運(yùn)量。結(jié)合煤料y向速度云圖（圖15b）可以看出煤料中間紅色區(qū)域表示煤料運(yùn)動(dòng)速度與鏈速基本一致（1 m/s），而藍(lán)色區(qū)域煤料基本為靜止?fàn)顟B(tài)，即中間紅色區(qū)域?yàn)槊毫陷斔偷挠行л斔蛥^(qū)域。由于運(yùn)量增多，導(dǎo)致煤料無法有效輸送而在機(jī)尾處和槽幫處形成堆積，使得煤料分布呈現(xiàn)階梯狀，質(zhì)量流率達(dá)不到設(shè)定運(yùn)量。

圖14 運(yùn)量工況煤料分布Fig.14 Coal distribution under traffic condition

圖15 煤料質(zhì)量流率和y 向速度Fig.15 Coal mass flow rate and y-direction velocity

3 不同工況條件下力學(xué)效應(yīng)

3.1 下運(yùn)工況

3.1.1 煤料受力情況

正常工況下煤料間受力如圖16 所示，可以看出中部槽內(nèi)的煤料受力明顯大于堆積在槽幫上部的煤料，刮板前側(cè)煤料受力大于刮板后側(cè)，鏈條兩側(cè)煤料受力大于鏈條中間。中部槽內(nèi)煤料會(huì)受到刮板、中板和槽幫的相互作用力，在刮板帶動(dòng)下，刮板前側(cè)的煤料向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)推動(dòng)上一節(jié)刮板后側(cè)的煤料，而堆積在上部的煤料則是依靠底部煤料施加的摩擦力向前運(yùn)動(dòng)，因此小于中部槽內(nèi)煤料的受力。中板與槽幫會(huì)對(duì)煤料施加向后的摩擦力，同樣會(huì)導(dǎo)致刮板后側(cè)煤料受力小于刮板前側(cè)。鏈條兩側(cè)相比鏈條間的空間更大，有利于煤料的填充和流動(dòng)，使得鏈條間的煤料的作用力較小。下運(yùn)工況改變了重力對(duì)煤料的作用力方向，重力的分量推動(dòng)煤料的輸運(yùn)。下運(yùn)工況煤料受力如圖17 所示，可以看出隨著工作傾角不斷增大，刮板前側(cè)紅色顆粒和刮板后側(cè)藍(lán)色顆粒數(shù)目逐漸減小，刮板間綠色顆粒占比逐漸增加，說明刮板前側(cè)煤料的受力逐漸減小，煤料向前一個(gè)刮板后方運(yùn)動(dòng)，中部槽內(nèi)煤料的載荷分布更為均勻。

圖16 正常工況煤料受力Fig.16 Stress of coal under normal conditions

圖17 下運(yùn)工況煤料受力Fig.17 Stress of coal under downward conditions

3.1.2 中板受力情況

1）煤料與中板。下運(yùn)工況下第三節(jié)中板受力時(shí)間和平均受力見表4，初始受力時(shí)間是指中板第一次檢測到受力的時(shí)間，此刻僅有零散煤料落在中板，中板受力在零值波動(dòng)，穩(wěn)定初始時(shí)間是中板受力持續(xù)開始的時(shí)間，此刻煤料進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，即此時(shí)刻后中板受力不存在零值數(shù)據(jù)點(diǎn)?？梢钥闯鲭S著工作傾角的增大，初始受力時(shí)間和穩(wěn)定初始時(shí)間逐漸減小，且兩者的差值逐漸增大，這是由于重力分量使得煤料更早的向前輸運(yùn)。工作傾角較小時(shí)，中板平均受力呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢，隨著工作傾角的增大，中板平均受力呈現(xiàn)上升趨勢，這是由于傾角較小時(shí)，重力的分量對(duì)煤料影響較小，煤料運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性較大，當(dāng)傾角進(jìn)一步提升時(shí)，重力的分量對(duì)煤料影響大于煤料運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性影響，中板平均受力與煤料運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)一致性。

表4 中板受力時(shí)間和平均受力值Table 4 Stress time and average force of deck plate

2）刮板與中板。選擇顆粒工廠正下方的刮板作為研究對(duì)象，刮板與中板的受力如圖18 所示。空載工況下，鏈條帶動(dòng)刮板在中板上運(yùn)動(dòng)，由于鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的多邊形效應(yīng)，使得刮板與中板的受力呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)。運(yùn)載工況下刮板與中板的接觸力也呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，但刮板與中板的接觸力并不是一直存在。下運(yùn)10°工況同一刮板的受力和Z向位移如圖19 所示，結(jié)合圖9b 可以看出，在運(yùn)載工況下由于鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)會(huì)使得煤料逐漸填充到刮板下方，進(jìn)而使得刮板z向受力出現(xiàn)一個(gè)瞬時(shí)峰值，刮板向上方（z向）移動(dòng)，與中板脫離接觸。

圖18 刮板與中板受力Fig.18 Force of scraper and deck plate

圖19 刮板受力與z 向位移Fig.19 Force and z-directional displacement of scraper

3.1.3 刮板及鏈條受力情況

下運(yùn)工況下某刮板受力情況如圖20 所示，可以看出刮板開始輸運(yùn)煤料后，受力逐漸增大，隨著下運(yùn)角度的增加，刮板受力呈現(xiàn)滯后性，這是由于部分煤料在重力分量的影響下更早向前輸運(yùn)導(dǎo)致，與中板初始受力時(shí)間趨勢相反；在到達(dá)落料區(qū)時(shí)受力達(dá)到最大值，之后在某一水平波動(dòng)。由圖20 可以看出4.5 s 以后該刮板卸載煤料，為直觀分析刮板受力情況，分別計(jì)算刮板在0～4.5 s 內(nèi)的平均受力值，隨著工作傾角的增大，刮板的平均受力分別為1 212.97、920.53、 907.11、 821.48 N。這是由于重力分量對(duì)煤料運(yùn)動(dòng)的影響，使得煤料有向前運(yùn)動(dòng)的趨勢，導(dǎo)致刮板平均受力逐漸減小，與中板平均受力呈現(xiàn)相反的趨勢。同時(shí)可以看出由于鏈傳動(dòng)系統(tǒng)多邊形效應(yīng)的影響，刮板受力也呈現(xiàn)一定的周期性波動(dòng)，之后到達(dá)卸料區(qū)，受力減小至0。

圖20 下運(yùn)工況刮板受力Fig.20 Force on scraper under downward conditions

隨著下運(yùn)角度的增加，鏈條受力會(huì)呈現(xiàn)減小的趨勢。下運(yùn)工況下經(jīng)濾波平滑處理后的鏈條受力情況如圖21 所示，可以看出鏈條受鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)影響，呈現(xiàn)明顯的周期性，鏈條受力并沒有明顯的變化趨勢。根據(jù)圖21 中下運(yùn)15°時(shí)4 s 后鏈條受力曲線可以看出，在輸運(yùn)過程中部分煤料會(huì)卡在刮板（鏈）和中板間會(huì)導(dǎo)致鏈條受力突然增加。

圖21 下運(yùn)工況鏈條受力Fig.21 Force on chain under downward conditions

3.1.4 中板磨損情況

下運(yùn)工況下中板磨損情況如圖22 所示，磨損深度為中板所有單元磨損的總和?？梢钥闯龀跗? 種工況磨損基本相同，這是由于此時(shí)中部槽內(nèi)煤料較少，煤料和中板只形成兩體磨損，磨損量較小。1.6 s 左右時(shí)，正常工況下中板磨損深度出現(xiàn)一個(gè)階梯上升，這是由于在運(yùn)行過程中鏈條和刮板帶動(dòng)煤料向前輸送，煤顆粒-中板-刮板（鏈）形成三體接觸進(jìn)而造成三體磨損導(dǎo)致[16]。5 s 時(shí)刻正常工況與下運(yùn)5°工況磨損深度基本相同，下運(yùn)10°工況磨損深度略低，這是由于重力的分量使得刮板輸送機(jī)上堆積煤料有向前運(yùn)動(dòng)的趨勢，煤料在中部槽內(nèi)分布均勻，形成三體磨損的顆粒較少。下運(yùn)15°在4 s 后的磨損深度出現(xiàn)明顯上升趨勢，由圖21 可知是由于部分煤料卡在刮板（鏈）和中板之間導(dǎo)致磨損深度急速增加。

圖22 下運(yùn)工況磨損深度Fig.22 Wear depth under downward conditions

3.2 傾斜工況

3.2.1 煤料受力情況

傾斜10°工況下煤料間受力如圖23 所示，可以看出鏈條兩側(cè)煤料受力情況不一致，B 區(qū)域煤料受力大于A 區(qū)域。考慮到煤料生成的隨機(jī)性影響，選用A 區(qū)域和B 區(qū)域平均受力比值（FA/FB）進(jìn)行對(duì)比，正常工況下FA/FB=96%，傾斜5°工況下FA/FB=86%，傾斜10°工況下FA/FB=70%，隨著走向傾角的不斷增大，煤料向傾斜側(cè)堆積，造成傾斜側(cè)煤料受力大于另一側(cè)。

圖23 傾斜10°工況煤料受力Fig.23 Stress of coal under the condition of inclination of 10 °

3.2.2 鏈條受力情況

煤料載荷在x方向分布不均導(dǎo)致兩條鏈條受力也呈現(xiàn)不均勻情況，傾斜工況下鏈條受力如圖24 所示，鏈2 為靠近傾斜側(cè)的鏈。可以看出在正常工況下，鏈條受力基本同步，并呈現(xiàn)周期性變化。隨著走向傾角的增大，鏈條受力在初始階段基本同步；在穩(wěn)定運(yùn)輸階段，鏈條受力出現(xiàn)波動(dòng)，且兩條鏈?zhǔn)芰Τ尸F(xiàn)較大的差異，鏈2 受力明顯高于鏈1；在卸料階段，由于靠近鏈輪，鏈條受力的又開始呈現(xiàn)同步性。

圖24 傾斜工況鏈條受力Fig.24 Chain stress under inclined working condition

3.2.3 鏈條與鏈輪受力情況

選取同一對(duì)鏈環(huán)分別分析正常工況與傾斜10°工況條件下鏈條與鏈輪的接觸受力（圖25）。在0～0.9 s 內(nèi)鏈環(huán)與鏈輪嚙合，由于此時(shí)中部槽內(nèi)生成煤料較少，鏈條與鏈輪的接觸力基本呈現(xiàn)一致的波動(dòng)性。在0.9～5 s 內(nèi)鏈條帶動(dòng)刮板輸送煤料，此時(shí)鏈環(huán)與鏈輪脫離接觸，接觸力為0。5.35 s 后刮板卸料，鏈環(huán)與鏈輪嚙合，此時(shí)中部槽內(nèi)鋪滿煤料，鏈條與鏈輪的接觸力波動(dòng)幅度相較于之前變大，正常工況下兩條鏈和傾斜10°工況下鏈1 波動(dòng)較為接近，傾斜10°工況條件下鏈2 的波動(dòng)明顯高于鏈1。分別計(jì)算正常工況和傾斜10°工況下兩條鏈與首尾鏈輪接觸力絕對(duì)差值的平均值，正常工況下鏈條與首尾鏈輪的平均差值為54.13 N，傾斜工況為18 015.64 N。結(jié)合圖24c 可知，由于傾斜工況使得煤料在中部槽內(nèi)分布不均，導(dǎo)致刮板卸料后兩條鏈仍存在一定的張力差，使得鏈條與鏈輪的接觸力也存在一定的差值。

圖25 鏈條與鏈輪受力Fig.25 Force of chain and sprocket

3.3 不同運(yùn)量工況

3.3.1 中板受力情況

不同運(yùn)量工況下中部槽受力時(shí)間和平均受力見表5?？梢钥闯龅谝还?jié)中板初始受力時(shí)間基本一致，由于運(yùn)量的增加，300 kg/s 和400 kg/s 工況下煤料很快與中板穩(wěn)定接觸。400 kg/s 工況下第一節(jié)中板平均受力小于300 kg/s，是由于運(yùn)量較大，一部分煤料在槽幫處形成了堆積，且根據(jù)第二節(jié)中板初始受力時(shí)間可以看出，一部分煤料直接落在了第二節(jié)中板。第二節(jié)中部槽內(nèi)中板和槽幫的受力都隨著運(yùn)量的增大而增大。第三節(jié)中板在300 kg/s 工況下受力最大，結(jié)合2.3 節(jié)對(duì)不同運(yùn)量工況煤料的運(yùn)動(dòng)分析可知，煤料輸運(yùn)存在有效輸運(yùn)區(qū)域，400 kg/s 由于運(yùn)量過大，導(dǎo)致煤料無法有效向前輸運(yùn)，在槽幫處形成堆積，使得第三節(jié)中板受力小于300 kg/s 工況。

表5 中部槽受力時(shí)間和平均受力值Table 5 Stress time and average force of line pan

3.3.2 刮板受力情況

運(yùn)量400 kg/s 時(shí)刮板受力如圖26 所示，依據(jù)刮板推動(dòng)煤料的順序，分別記為刮板1、刮板2、刮板3、刮板4。刮板開始推動(dòng)煤料時(shí)間依次增大，刮板受力也呈現(xiàn)增大趨勢。分別提取刮板受到煤料阻力后1.5s 內(nèi)的阻力平均值和對(duì)應(yīng)的中部槽內(nèi)煤料的質(zhì)量流率數(shù)據(jù)（表6），可以看出刮板受力的增大是由于中部槽內(nèi)煤料質(zhì)量的增加。對(duì)表6 數(shù)據(jù)利用Origin 進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果為y=0.320 7x2-131.2x+15 999，R2=0.994，即隨著煤料的增加，刮板阻力的增速逐漸增大。

表6 刮板平均受力及質(zhì)量流率Table 6 Average force of scraper and mass flow rate

圖26 運(yùn)量400 kg/s 刮板受力Fig.26 Force on scraper under 400 kg/s traffic condition

3.3.3 中板磨損情況

運(yùn)量300 kg/s 和400 kg/s 時(shí)中板磨損和受力如圖27 所示。隨著運(yùn)量的增加，磨損深度顯著增加，且存在明顯的階梯上升趨勢。結(jié)合中板受力對(duì)比，中板磨損急速增加與中板受力的波動(dòng)相關(guān)，這是由于運(yùn)量的增加，煤顆粒-中板-刮板（鏈）形成三體磨損的概率增加，加劇了中部槽的磨損，當(dāng)卡在刮板（鏈）和中板之間的煤料在輸運(yùn)過程中姿態(tài)改變，使得煤顆粒-中板-刮板（鏈）之間形成兩體接觸，中板受力出現(xiàn)明顯降低，中板磨損平穩(wěn)增加。

圖27 不同運(yùn)量下中板磨損和受力Fig.27 Wear and force on the deck plate underdifferent traffic volumes

4 結(jié) 論

1）基于離散元法和多體動(dòng)力學(xué)構(gòu)建的刮板輸送機(jī)剛散耦合模型可以有效模擬刮板輸送機(jī)的輸運(yùn)工況。正常工況條件下，中部槽內(nèi)煤料運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)堆狀間歇分布，且刮板前側(cè)煤料堆積多于刮板后側(cè)。中部槽內(nèi)的煤料受力明顯大于堆積在槽幫上部的煤料，刮板前側(cè)煤料受力大于刮板后側(cè)，鏈條兩側(cè)煤料受力大于鏈條中間。

2）下運(yùn)工況條件下，煤料堆積最高點(diǎn)距中板距離基本不變，隨著工作傾角的增大，煤料最高點(diǎn)逐漸向著后側(cè)刮板移動(dòng)，中板平均受力逐漸增大，后側(cè)刮板平均受力逐漸減小。

3）傾斜工況條件下，煤料堆積最高點(diǎn)距中板的距離基本不變，隨著走向傾角的增大，最高點(diǎn)逐漸向傾斜側(cè)偏移，造成中部槽內(nèi)煤料的分布不均，使得傾斜側(cè)煤料受力大于另一側(cè)，鏈條受力出現(xiàn)波動(dòng)，兩條鏈同步性較差。

4）刮板輸送機(jī)輸送過程存在有效輸送區(qū)域，煤料速度在有效輸送區(qū)域內(nèi)與鏈速基本相同，靠近槽幫處的煤料速度逐漸越低。中板和刮板的平均受力隨著運(yùn)量增多而增多，但運(yùn)量過大時(shí)，中板的受力會(huì)由于煤料無法有效輸送堆積在槽幫處而減小。

5）中板磨損與煤顆粒-中板-刮板（鏈）的接觸相關(guān)，當(dāng)三者形成有效的三體接觸時(shí)，中板受力和磨損會(huì)出現(xiàn)明顯上升的趨勢。隨著輸運(yùn)過程中煤顆粒位姿形態(tài)的改變，煤顆粒-中板-刮板（鏈）由三體接觸變?yōu)閮审w接觸，中板受力降低，磨損平穩(wěn)增加。