張 強, 王海艦, 郭 桐, 付云飛

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.四川理工學(xué)院 材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，四川 自貢 643000；3.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116023)

不同工況及鏈速下礦用刮板動力學(xué)特性及沖擊損傷研究

張 強1,2,3, 王海艦1, 郭 桐1, 付云飛1

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.四川理工學(xué)院 材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，四川 自貢 643000；3.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116023)

為研究礦用刮板在不同工況及鏈速下的動力學(xué)特性和沖擊損傷，建立26×92規(guī)格刮板系統(tǒng)的有限元模型，采用ANSYS Workbench中的瞬態(tài)分析模塊和顯式動力學(xué)分析模塊對刮板在不同工況和鏈速下的動力學(xué)特性進行了仿真分析，采用 nCode GlypWorks分析刮板啟動工況下的沖擊損傷，得到刮板在空載平穩(wěn)運行、滿載平穩(wěn)運行、空載啟動和滿載啟動工況下的力學(xué)性能、不同鏈速對刮板最大等效應(yīng)力時間歷程的影響規(guī)律和空載、滿載啟動沖擊載荷對刮板所造成的損傷程度。仿真結(jié)果表明，該刮板具有良好的力學(xué)性能和抗沖擊性能，為研究不同規(guī)格刮板的動力學(xué)特性及沖擊損傷提供了一種通用的研究方法。

刮板；不同工況；鏈速；動力學(xué)特性；沖擊損傷

刮板是礦用刮板輸送機鏈傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是刮推采煤機截割落入槽內(nèi)的煤塊和巖塊、在槽幫內(nèi)起導(dǎo)向作用、刮底清幫以及防止煤粉黏結(jié)和堵塞[1-2]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對刮板還沒有進行系統(tǒng)的研究，對刮板系統(tǒng)的的整體動力學(xué)分析還停留在起步階段，很難查閱到與刮板動力學(xué)特性以及沖擊損傷相關(guān)的研究和文獻資料，相應(yīng)的研究成果也鮮有報道；刮板在出廠前也主要進行靜力學(xué)試驗，沒有對其動力學(xué)及疲勞強度進行試驗。因此，開展刮板的動力學(xué)特性及沖擊損傷研究，為設(shè)計、優(yōu)化鏈傳動系統(tǒng)，提高刮板強度和延長使用壽命提供重要的參考依據(jù)。

利用ANSYS Workbench和nCode GlypWorks構(gòu)建刮板系統(tǒng)的聯(lián)合仿真平臺，建立刮板系統(tǒng)的虛擬樣機模型，對不同工況下刮板的力學(xué)性能進行分析[3-7]，分析刮板在空載平穩(wěn)運行、滿載平穩(wěn)運行、空載啟動和滿載啟動工況下所表現(xiàn)的動力學(xué)特性，研究不同鏈速對刮板的最大等效應(yīng)力時間歷程的影響規(guī)律，系統(tǒng)地分析空載/滿載啟動沖擊載荷對刮板造成的損傷。

1 刮板系統(tǒng)有限元模型的建立

1.1 刮板系統(tǒng)模型的簡化及網(wǎng)格劃分

由于刮板輸送機刮板系統(tǒng)相當復(fù)雜，所以完整的建立刮板系統(tǒng)的動力學(xué)模型是很困難的，而且完整的刮板系統(tǒng)會消耗大量的資源，大大增加分析的成本?；谝陨显?，根據(jù)有限段法，將刮板系統(tǒng)離散成N個單元，取一個單元作為研究對象，以此來模擬實際工況[8-9]。此外，真實刮板結(jié)構(gòu)的小圓角和尖銳過渡在有限元分析中會導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，即會導(dǎo)致仿真結(jié)果的嚴重失真，而且由于小圓角和尖銳過渡的存在，在進行有限元分析時往往會產(chǎn)生結(jié)果收斂困難的現(xiàn)象。因此，為了保證仿真結(jié)果的正確，本文在建立刮板系統(tǒng)的三維模型時已將小圓角和尖銳過渡去除。

選取如圖1所示用于730 mm槽寬的26×92規(guī)格刮板的尺寸參數(shù)進行建模及有限元分析，其刮板系統(tǒng)的簡化模型及有限元模型分別如圖2(a)和圖2(b)所示，該簡化模型由刮板、鏈環(huán)和溜槽組成。采用20節(jié)點六面體單元對刮板傳動系統(tǒng)進行自動網(wǎng)格劃分，六面體單元雖然會加大數(shù)值仿真計算的時間，但是與四面體單元相比，其精確度更高[10]。網(wǎng)格單邊尺寸為10 mm，節(jié)點數(shù)為283 675，單元數(shù)為70 967。

圖1 刮板系統(tǒng)模型尺寸參數(shù)(mm)Fig.1 Size parameters of scraper system model(mm)

1.2 材料及接觸模型的建立

鏈環(huán)采用的材料為23MnNiMoCr54，材料的密度為7.84×10-6kg/mm3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為1 166 MPa，切線模量為2 444 MPa[11]；溜槽采用的材料為Hardox450，材料的密度為7.86×10-6kg/mm3，彈性模量為206GPa，泊松比為0.28，抗拉強度為1 400 MPa，屈服強度為1 200 MPa[12]；刮板采用的材料為16Mn2，材料的密度為7.8×10-6kg/mm3，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.31，屈服強度為2 356 MPa，切線模量為3 100 MPa，刮板的S-N曲線如圖3所示。刮板各組成之間，鏈環(huán)之間及刮板與鏈環(huán)之間采用Frictionless接觸，即無摩擦接觸。

圖2 刮板系統(tǒng)簡化及有限元模型Fig.2 Geometric and finite element model of scraper system

圖3 刮板S-N曲線Fig.3 S-N curve of scraper

1.3 滿載/空載工況下邊界條件的施加

在刮板上表面施加一個力Fe來模擬等效載荷，由于近似每米一個刮板，因此滿載的等效載荷由每米的物料、鏈環(huán)和刮板的總重量組成?？蛰d的等效載荷由每米的鏈環(huán)、刮板的總重量組成。根據(jù)項目組現(xiàn)場調(diào)研可得，當滿載時等效的力為14 657.2 N，當空載時等效的力為1 395 N。在溜槽的下表面施加固定約束，以限制其所有的自由度。鏈環(huán)1和鏈環(huán)2施加速度值為0.85 m/s的速度載荷。滿載時刮板與溜槽之間的摩擦因數(shù)取為0.835，空載時刮板與溜槽之間的摩擦因數(shù)取為0.45。

2 刮板平穩(wěn)運行時的力學(xué)特性

2.1 空載平穩(wěn)運行下的刮板力學(xué)特性

采用ANSYS Workbench的瞬態(tài)分析模塊(Transient Structural)對刮板系統(tǒng)進行空載平穩(wěn)運行狀態(tài)下的動力學(xué)特性進行分析。通過分析得到了不同時刻下空載平穩(wěn)運行時的刮板等效應(yīng)力分布和空載平穩(wěn)運行時刮板的最大等效應(yīng)力，分別如圖4和5所示。由圖4可知，刮板的最大等效應(yīng)力位置發(fā)生在刮板與平環(huán)外側(cè)的接觸區(qū)域。由圖5可知，空載平穩(wěn)運行時刮板的最大等效應(yīng)力時間歷程可以分為兩個階段，即最大等效應(yīng)力上升階段和平穩(wěn)階段。0～0.157 5 s的時間段內(nèi)，應(yīng)力值近似呈線性遞增趨勢，當0.157 5 s后最大等效應(yīng)力值達到穩(wěn)定狀態(tài)，其值約為13.724 MPa。通過以上分析可以說明空載平穩(wěn)運行時，其運動狀態(tài)非常穩(wěn)定，應(yīng)力的波動非常小，且最大應(yīng)力值遠遠小于其屈服極限2 356 MPa。

圖4 不同時刻空載側(cè)刮板的等效應(yīng)力分布Fig.4 Equivalent stress distribution of scraper on unload side at different times

圖5 空載平穩(wěn)運行時刮板最大等效應(yīng)力時間歷程Fig.5 Maximum equivalent stress time history of scraper when running with unload

2.2 滿載平穩(wěn)運行下的刮板力學(xué)特性

采用ANSYS Workbench的瞬態(tài)分析模塊(Transient Structural)對刮板系統(tǒng)進行滿載平穩(wěn)運行狀態(tài)下的動力學(xué)特性進行分析[13]。通過仿真得到了不同時刻下滿載平穩(wěn)運行時刮板的等效應(yīng)力分布和滿載平穩(wěn)運行時的刮板最大等效應(yīng)力，分別如圖6和7所示。由圖6可知，刮板滿載時的最大等效應(yīng)力位置同空載時的一樣，均發(fā)生在刮板與平環(huán)外側(cè)的接觸區(qū)域。由圖7可知，滿載平穩(wěn)運行時的刮板最大等效應(yīng)力時間歷程同樣可以分為兩個階段，即最大等效應(yīng)力上升階段和平穩(wěn)階段。0～0.772 5 s的時間段內(nèi)，應(yīng)力值近似呈線性遞增趨勢，當0.772 5 s后最大等效應(yīng)力值達到穩(wěn)定狀態(tài)，其值約為139.02 MPa。通過以上分析可知，滿載平穩(wěn)運行時，其運動狀態(tài)也同樣非常穩(wěn)定，應(yīng)力的波動同樣非常小，且最大應(yīng)力值同樣遠遠小于其屈服極限。通過對比分析空載運行工況和滿載運行工況可知，滿載運行時達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間約為空載時達到穩(wěn)定狀態(tài)時間的5倍，滿載平穩(wěn)運行時的最大平穩(wěn)等效應(yīng)力值比空載平穩(wěn)運行時的最大平穩(wěn)等效應(yīng)力值高了一個數(shù)量級。綜上所述，刮板平穩(wěn)運行時具有良好的力學(xué)性能。

圖6 不同時刻滿載側(cè)刮板的等效應(yīng)力分布Fig.6 Equivalent stress distribution of scraper on full load side at different times

圖7 滿載平穩(wěn)運行時的刮板最大等效應(yīng)力時間歷程Fig.7 Maximum equivalent stress time history of scraper when running with full load

2.3 不同鏈速下的刮板力學(xué)特性

通過查閱刮板輸送機說明書以及其他文獻資料，選擇主流刮板輸送機的常用鏈速，分別取鏈速為0.75 m/s、0.85 m/s、0.96 m/s和1.5 m/s，分析不同鏈速下刮板的最大等效應(yīng)力曲線的變化規(guī)律。通過仿真分析得到了不同鏈速下刮板空載平穩(wěn)運行時的最大等效應(yīng)力時間歷程和滿載平穩(wěn)運行時的最大等效應(yīng)力時間歷程，分別如圖8和圖9所示。由圖8和9可知，在負載一定的情況下，鏈速越高最大等效應(yīng)力在上升階段的上升速度越快，達到平穩(wěn)階段所需的時間越短，刮板平穩(wěn)后的最大等效應(yīng)力值均相同。

圖8 不同鏈速下空載平穩(wěn)運行時最大等效應(yīng)力時間歷程Fig.8 Maximum equivalent stress time history of scraper when running with unload under different chain speeds

圖9 不同鏈速下滿載平穩(wěn)運行時最大等效應(yīng)力時間歷程Fig.9 Maximum equivalent stress time history of scraper when running with full load under different chain speeds

3 刮板啟動沖擊時的力學(xué)特性

3.1 空載啟動沖擊下的刮板力學(xué)特性

刮板系統(tǒng)啟動時會受到?jīng)_擊載荷的作用，從而導(dǎo)致了應(yīng)力波動的產(chǎn)生[14-15]。采用ANSYS Workbench顯式動力學(xué)分析模塊(Explicit Dynamics)對刮板系統(tǒng)進行空載啟動沖擊特性的分析。通過仿真得到了空載啟動時刮板在0.002 5 s、0.005 s、0.007 5 s和0.01 s時刻的等效應(yīng)力分布云圖如圖10所示，刮板空載啟動沖擊下的最大等效應(yīng)力時間歷程如圖11所示。由圖10可以清晰的看出刮板不同時刻的應(yīng)力分布情況。由圖11可知，在空載啟動的0.01 s的時間內(nèi)，刮板發(fā)生了約為7次的碰撞，其中最大等效應(yīng)力發(fā)生在0.007 8 s，其值約為107.5 MPa，小于其屈服極限2 356 MPa。

圖10 不同時刻刮板空載啟動沖擊下的等效應(yīng)力分布Fig.10 Equivalent stress distribution of scraper under unload start impact at different times

圖11 刮板空載啟動沖擊下的最大等效應(yīng)力時間歷程Fig.11 Maximum equivalent stress time history of scraper under unload start impact

3.2 滿載啟動沖擊下的刮板力學(xué)特性

采用ANSYS Workbench顯式動力學(xué)分析模塊(Explicit Dynamics)對刮板系統(tǒng)進行滿載啟動沖擊特性的分析。隨著時間的變化，刮板滿載啟動沖擊下的等效應(yīng)力分布是一個動態(tài)連續(xù)變化的過程，因此，很難對刮板每個時刻的應(yīng)力分布情況進行詳細的說明，為了研究的方便，本文取0.01 s、0.02 s、0.03 s和0.04 s這4個時間點對刮板滿載啟動沖擊下的等效應(yīng)力分布進行分析，如圖12所示，刮板滿載啟動沖擊下的最大等效應(yīng)力時間歷程如圖13所示。由圖12可以清晰的看出滿載啟動時刮板不同時刻的應(yīng)力分布情況。根據(jù)文獻[9]可知零部件的啟動過程是伴有最大瞬間沖擊和階段性碰撞，相當于一個阻尼振動過程，初始的沖擊對零部件的傷害相對較大，且綜合考慮計算成本，本文只對0.05 s時間內(nèi)的刮板滿載啟動沖擊下的最大等效應(yīng)力進行計算。由圖13可知，在滿載啟動的0.05 s的時間內(nèi)，刮板發(fā)生了約為6次的碰撞，其中最大等效應(yīng)力發(fā)生在0.042 5 s，其值約為201.8 MPa，小于其屈服極限。

通過對比空載啟動沖擊和滿載啟動沖擊可知，滿載啟動時發(fā)生碰撞的次數(shù)少于空載啟動，滿載啟動發(fā)生等效應(yīng)力最大值的時刻要比空載啟動時晚，其值比空載啟動時的高。綜上所述，刮板具有較好的抗沖擊性能。

圖12 不同時刻的刮板滿載啟動沖擊下的等效應(yīng)力分布Fig.12 Equivalent stress distribution of scraper under full load start impact at different times

圖13 刮板滿載啟動沖擊下最大等效應(yīng)力時間歷程Fig.13 Maximum equivalent stress time history of scraper under full load start impact

4 刮板的啟動沖擊損傷

4.1 載荷譜的雨流計數(shù)和外推

通過以上分析可知，刮板平穩(wěn)運行時的應(yīng)力波動很小，故平穩(wěn)運行工況幾乎不會造成刮板的疲勞損傷。沖擊的過程相當于一個阻尼振動過程，反復(fù)振動相當于疲勞作用。因此，本文分析滿載/空載啟動沖擊載荷對刮板造成的損傷。采用nCode GlypWorks中的Rainflow模塊對刮板在空載/滿載啟動工況下的最大等效應(yīng)力時間歷程進行雨流計數(shù)，得到的雨流計數(shù)直方圖如圖14所示。

圖14 載荷譜的雨流計數(shù)直方圖Fig.14 Rain-flow counting histogram of load spectrum

由于啟動沖擊載荷具有較強的隨機性，為防止載荷數(shù)據(jù)離散，提高載荷循環(huán)頻次，對原載荷進行外推是非常必要的。采用nCode GlypWorks中的Rainflow模塊對空載啟動和滿載啟動工況的最大等效應(yīng)力時間歷程進行外推，空載啟動工況和滿載啟動工況的外推系數(shù)分別取為100和20，即外推后的載荷譜加載時間為1s。空載/滿載啟動工況下的載荷譜外推后的雨流計數(shù)直方圖和載荷譜外推前后對比情況，分別如圖15和16所示。由圖15和16可知，載荷譜外推后，載荷頻次和幅值都有所增加。

圖15 載荷譜外推后雨流計數(shù)直方圖Fig.15 Rain-flow counting histogram of load spectrum after extrapolation

圖16 載荷譜外推前后對比情況Fig.16 Contrast result pre and post load spectrum trapolation

4.2 啟動沖擊損傷分析

將圖15所示的疲勞載荷譜輸入到nCode GlypWorks中的Stress Life模塊，采用Goodman平均應(yīng)力修正理論，計算得到空載啟動工況下刮板的循環(huán)次數(shù)為6.093×1011次，滿載啟動工況下刮板的循環(huán)次數(shù)為3.115×108次。通過分析易知，在1 s的時間內(nèi)滿載啟動工況對刮板造成的損傷約為空載啟動工況的1 956倍。同時也得到了空載/滿載啟動工況下的刮板損傷直方圖，如圖17所示。對比圖15和圖17可知，幾乎所有的疲勞損傷都是由某幾個幅值非常大的循環(huán)產(chǎn)生的。該現(xiàn)象表明，大多數(shù)的損傷是由有限的循環(huán)所產(chǎn)生的。

圖17 刮板損傷直方圖Fig.17 Damage histogram of scraper

5 結(jié) 論

本文采用ANSYS Workbench和nCode GlypWorks研究26×92規(guī)格刮板的動力學(xué)特性及沖擊損傷，為研究不同規(guī)格刮板的動力學(xué)特性及沖擊損傷提供了一種通用的研究方法，得到如下結(jié)論：

(1)刮板平穩(wěn)運行時運動狀態(tài)非常穩(wěn)定，應(yīng)力波動非常小，且最大應(yīng)力值遠遠小于其屈服極限值；

(2)滿載平穩(wěn)運行時的最大平穩(wěn)等效應(yīng)力值比空載時的最大平穩(wěn)等效應(yīng)力值高了一個數(shù)量級，刮板平穩(wěn)運行時具有良好的力學(xué)性能；

(3)在負載一定的情況下，鏈速越高，最大等效應(yīng)力在上升階段的上升速度越快，達到平穩(wěn)階段所需的時間越短，平穩(wěn)后的刮板最大等效應(yīng)力值均相同；

(4)刮板在滿載啟動時發(fā)生碰撞的次數(shù)少于空載啟動，滿載啟動發(fā)生等效應(yīng)力最大值的時間要比空載啟動時晚，其值比空載啟動時的高，刮板具有較好的抗沖擊性能；

(5)幾乎所有的疲勞損傷都是由某幾個幅值非常大的循環(huán)產(chǎn)生的，說明大多數(shù)的損傷是由有限的循環(huán)所產(chǎn)生的。

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Dynamic characteristics and impact damage of mining scrapers under different working conditions and chain speeds

ZHANG Qiang1,2,3, WANG Haijian1, GUO Tong1, FU Yunfei1

(1. College of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China; 2. Material Corrosion and Protection Key Laboratory of Sichuan Province, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China; 3. State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)

To study dynamic characteristics and impact damage of mining scrapers under different working conditions and chain speeds, a finite element model was established for scraper systems with specifications 26×92. The dynamics characteristic of scrapers was simulated and analyzed under different working conditions and chain speeds by using transient and explicit dynamics Analyse module of ANSYS Workbench. The impact damage of scrapers was analyzed by nCode GlypWorks under start-up conditions. The mechanical properties of scrapers were obtained under various conditions, including both running smoothly and starting under no-load or full-load. Moreover, we could obtain the rules of influence of time course for maximum equivalent stress of scrapers with different speeds and acquired the degree of damage which was caused by starting impact loading under no-load or full-load. The simulation results show that, the scraper has good mechanical and anti-impact properties. This work provides a universal method to study the dynamic characteristics and impact damage of scrapers with different specifications.

scraper; different working conditions; chain speed; dynamic characteristics; impact damage

國家自然科學(xué)基金(51504121);教育部博士點基金(20132121120011);材料腐蝕與防護四川省重點實驗室開放基金(2014CL18);工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析重點實驗室開放基金(GZ1402);機械傳動國家重點實驗室開放基金(SKLMT-KFKT-201515)

2015-10-10 修改稿收到日期：2015-11-25

張強 男，教授，博士生導(dǎo)師，1980年生 E-mail:lgdjxzhangqiang@163.com

TP391.9

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10.13465/j.cnki.jvs.2016.24.009