畢文杰,李 博,王學(xué)文

(太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,山西 太原 030024)

0 引 言

刮板輸送機(jī)是綜合機(jī)械化采煤工作的關(guān)鍵設(shè)備,其工作環(huán)境惡劣且載荷多變;在刮板輸送機(jī)緊急停機(jī)或滿載啟動(dòng)時(shí),刮板鏈會(huì)承受很大的動(dòng)張力而極易發(fā)生疲勞斷裂事故[1],這將直接影響整個(gè)輸運(yùn)過程的穩(wěn)定性。因此，關(guān)于刮板輸送機(jī)上煤散料及刮板鏈靜、動(dòng)力學(xué)特性一直是研究熱點(diǎn)。

王堯等[2]根據(jù)散體力學(xué)散狀物料的極限平衡理論,對(duì)刮板輸送機(jī)上散料流形成過程及其負(fù)載沖擊特性進(jìn)行了分析。姚艷萍[3]和蔡柳[4]等使用離散元法,分別通過模擬仿真,研究了刮板輸送機(jī)上煤散料的運(yùn)動(dòng)特征和力學(xué)行為。同時(shí),研究人員們又通過模擬仿真或計(jì)算的方式驗(yàn)證了刮板鏈在不同工況下的力學(xué)特性。其中,毛君等[5]研究了刮板輸送機(jī)模型異常載荷激勵(lì)參數(shù)。王愛民等[6]繪制了刮板鏈條動(dòng)態(tài)特性曲線。王學(xué)文等[7]建立了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析模型與接觸計(jì)算模型。張東升等[8]則構(gòu)造了刮板輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)微分方程。

眾多的研究結(jié)果表明,鏈環(huán)間的接觸位置有應(yīng)力集中現(xiàn)象,且在復(fù)雜工況下，圓環(huán)鏈間的接觸力、產(chǎn)生的動(dòng)載荷和造成的振動(dòng)沖擊等具有顯著的差異。其中,負(fù)載啟動(dòng)瞬間刮板鏈?zhǔn)芰_擊現(xiàn)象最為明顯,也更易產(chǎn)生卡鏈、斷鏈等事故[9-13]。但在構(gòu)建模型時(shí),這些研究對(duì)刮板輸送機(jī)上承載問題的處理均是在刮板鏈特定位置施加載荷,而忽略了在運(yùn)輸過程中因煤散料的下落和運(yùn)動(dòng)對(duì)整個(gè)刮板鏈造成的影響。

筆者在以上研究的基礎(chǔ)上,以散體力學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)為理論依據(jù),利用離散單元法工程應(yīng)用軟件EDEM和多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn分別建立刮板輸送機(jī)離散元模型和多體動(dòng)力學(xué)模型,并進(jìn)行剛散耦合,完整地模擬刮板輸送機(jī)上煤散料由下落到運(yùn)輸?shù)恼麄€(gè)過程。同時(shí)，發(fā)揮EDEM在處理顆粒問題上的優(yōu)勢(shì),以及RecurDyn處理幾何體間復(fù)雜運(yùn)動(dòng)及受力問題的優(yōu)勢(shì),對(duì)復(fù)雜工況下刮板輸送機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行仿真計(jì)算。

筆者從探究刮板輸送機(jī)上散料流形成及變化的角度探知復(fù)雜工況下刮板輸送機(jī)重載段鏈環(huán)的力學(xué)特性,同時(shí)通過理論性計(jì)算與仿真運(yùn)行結(jié)果分析來更為直觀地反映刮板鏈載荷變化特性及成因,為進(jìn)一步降低緊急停機(jī)和滿載啟動(dòng)時(shí)刮板鏈的動(dòng)態(tài)沖擊、預(yù)知承載系統(tǒng)故障、優(yōu)化刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)及提高輸運(yùn)效率提供理論基礎(chǔ)。

1 刮板輸送機(jī)仿真模型

1.1 幾何模型

以SGZ880/800型號(hào)的刮板輸送機(jī)為研究對(duì)象,考慮到建立完整的刮板輸送機(jī)模型將導(dǎo)致多剛體系統(tǒng)中剛體、運(yùn)動(dòng)副和參與仿真的煤顆粒數(shù)目大量增加,筆者對(duì)模型進(jìn)行了必要的結(jié)構(gòu)簡化,去除掉實(shí)際刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾、過渡槽和擋板,只保留水平段下中部槽的部分結(jié)構(gòu),并添加刮板導(dǎo)槽,確保在鏈輪驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下刮板輸送機(jī)上的煤散料正常運(yùn)輸。

筆者構(gòu)建的刮板輸送機(jī)幾何模型如圖1所示。

圖1 刮板輸送機(jī)幾何模型

刮板輸送機(jī)模型的具體參數(shù)如表1所示。

表1 刮板輸送機(jī)參數(shù)

1.2 離散元模型

1.2.1 顆粒間的接觸模型

在EDEM中,本文將煤顆粒之間的接觸模型設(shè)置為Hertz-Mindlin(no slip),使得顆粒間的接觸與碰撞的計(jì)算更準(zhǔn)確、高效。在該模型中,假設(shè)半徑分別為R1、R2的兩球形顆粒接觸時(shí),接觸區(qū)域?yàn)閳A形,顆粒間法向力Fn和切向力Ft分別為[14]:

(1)

Ft=-Stδ

(2)

式中:E*—等效彈性模量,MPa;R*—等效顆粒半徑,m;α—法向重疊量,m;St—切向剛度,N/m;δ—切向位移,m。

(3)

(4)

1.2.2 顆粒模型

筆者采用球形顆粒填充法,仿照真實(shí)煤顆粒構(gòu)建的煤顆粒模型,如圖2所示。

圖2 煤顆粒

為了更好地模擬實(shí)際工況,筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)[15-17],確定3種粒徑煤顆粒的質(zhì)量占比及生成占比,如表2所示。

表2 煤顆粒的粒徑分布

1.3 多體動(dòng)力學(xué)模型

RecurDyn軟件的基礎(chǔ)功能在于處理多剛體的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題[18]。在仿真模型的中部槽共設(shè)置800個(gè)接觸副,其接觸形式為Solid-Solid;中部槽與地面之間、刮板導(dǎo)槽與地面之間設(shè)置固定副;鏈輪軸與地面之間,鏈輪與鏈輪軸之間設(shè)置旋轉(zhuǎn)副,并添加驅(qū)動(dòng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)鏈輪正?；剞D(zhuǎn)。

筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)[19-21],并根據(jù)刮板輸送機(jī)模型設(shè)定了接觸副參數(shù)值,如表3所示。

表3 接觸參數(shù)

2 刮板輸送機(jī)仿真模型驗(yàn)證

為了確保仿真結(jié)果的正確性,筆者對(duì)所建刮板輸送機(jī)剛散耦合模型進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)于井下正在進(jìn)行采礦作業(yè)的刮板輸送機(jī),在不破壞其中部槽內(nèi)散料堆積的情況下,無法對(duì)其煤散料分布情況進(jìn)行分析;且在兩鏈環(huán)間進(jìn)行力的傳感器布置也存在難度。因此,筆者將刮板輸送機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)特性,與煤顆粒隨其振動(dòng)特性所呈現(xiàn)的變化規(guī)律相結(jié)合,進(jìn)行理論計(jì)算驗(yàn)證。

因鏈傳動(dòng)存在多邊形效應(yīng)及刮板同鏈輪嚙合時(shí)產(chǎn)生的周期性振動(dòng),使得在輸運(yùn)過程中,煤散料在豎直和水平方向上呈現(xiàn)周期性振動(dòng)變化。筆者對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行分析,將統(tǒng)計(jì)算得的整體煤散料的速度變化周期值與理論計(jì)算值作對(duì)比。其中,振動(dòng)特性可體現(xiàn)多體動(dòng)力學(xué)模型的正確性,而煤散料隨之產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)特性可證明離散元模型和剛散耦合模型的正確性。

SGZ880/800型刮板輸送機(jī)刮板同鏈輪嚙合速度變化周期t為:

(5)

式中:L—刮板間隔,取值為1 008 mm;v—耦合仿真中設(shè)置的水平鏈速,取值為0.8 m/s。

筆者將仿真統(tǒng)計(jì)的煤散料速度變化周期值t1、t2同計(jì)算所得刮板嚙合周期值t進(jìn)行對(duì)比,其具體的操作如下:

在EDEM后處理中將中部槽劃分成48個(gè)區(qū)間,如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分區(qū)間

水平方向上煤散料的速度變化周期統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

圖4 水平方向上煤散料的速度變化周期統(tǒng)計(jì)

圖4(a)為每個(gè)區(qū)間內(nèi)煤散料水平方向上的平均速度。由圖4(a)可知,單個(gè)區(qū)間內(nèi)煤散料速度呈現(xiàn)典型的周期性變化;對(duì)各區(qū)間內(nèi)的周期值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4(b)所示。

筆者使用變異系數(shù)法對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,若變異系數(shù)大于15%,則要考慮剔除不正常的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

(6)

式中:xi—振動(dòng)時(shí)間間隔,s。

樣本的標(biāo)準(zhǔn)差S1為:

(7)

式中：n1—觀測(cè)次數(shù)(在刮板輸送機(jī)仿真運(yùn)行過程中,對(duì)所有區(qū)間網(wǎng)格內(nèi)水平方向上速度的變化周期為穩(wěn)定值的個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其值為271)。

變異系數(shù)C1·V1為:

(8)

因此,可以認(rèn)為樣本統(tǒng)計(jì)值為1.259 3,即煤散料在水平方向上速度變化周期t1為1.259 3 s。該值同理論計(jì)算值t間的誤差Δ1為:

(9)

因Δ1,Δ2取值極小,且煤顆粒間、煤顆粒同中部槽間存在相互摩擦、碰撞等因素,允許誤差存在,即可認(rèn)為由仿真所得煤散料因刮板嚙合振動(dòng)所引起的速度,在水平方向上和豎直方向上變化周期同理論計(jì)算所得刮板的嚙合周期一致。因此,該模型的正確性得以驗(yàn)證。

3 刮板輸送機(jī)上散料流形成

在運(yùn)輸過程中,刮板輸送機(jī)上煤散料縱向和橫向的分布如圖5所示。

圖5 刮板輸送機(jī)煤散料分布示意圖

經(jīng)刮板鏈帶動(dòng),煤散料向前運(yùn)輸并形成了與刮板高度h1相等的下層煤散料。下層煤散料的速度由0逐漸增至刮板鏈的速度v,且承載高度為h2的上層煤散料。上層與下層煤散料之間存在內(nèi)摩擦力,且以此克服了下層煤散料同槽壁間的內(nèi)摩擦力,因此兩層散料一起向前運(yùn)動(dòng),形成連續(xù)不斷的散料流。下層煤顆粒在輸送方向上受到兩側(cè)刮板限制,排列緊密,運(yùn)動(dòng)方向有序。而在鏈傳動(dòng)多邊形效應(yīng)的影響或落煤的沖擊作用下,整個(gè)煤散料層間將會(huì)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象,煤顆粒在輸送過程被攪拌、翻滾,故上層煤散料運(yùn)動(dòng)方向較為混亂。

筆者取仿真運(yùn)行到8.5 s時(shí)刻刮板2和刮板3之間的上層煤散料,并在EDEM后處理中,采用Grid Bin Group在其高度方向上劃分網(wǎng)格,如圖6所示。

圖6 煤顆粒沿高度方向上網(wǎng)格

每個(gè)網(wǎng)格生成的煤散料沿高度方向的速度變化平均值,如圖7所示。

圖7 煤顆粒沿高度方向上的速度均值

經(jīng)以上分析可知,上層煤散料沿堆積高度方向上存在速度梯度,故上層煤散料在輸送方向上呈現(xiàn)高低狀的波浪形,而在橫向截面上呈現(xiàn)弧形。

4 刮板輸送機(jī)重載段鏈環(huán)接觸力特征

4.1 重載段鏈環(huán)力學(xué)特性

在實(shí)際輸送過程中,平穩(wěn)工況下鋪設(shè)角度為0,刮板輸送機(jī)主要需克服鏈輪的軸承阻力和刮板鏈繞過首輪、尾輪時(shí)的彎曲阻力及煤散料、刮板鏈在中部槽中運(yùn)行時(shí)的摩擦阻力。

根據(jù)刮板輸送機(jī)上散料流的形成、煤散料的力學(xué)特性等,可推知重載段刮板輸送機(jī)單位長度上的運(yùn)行阻力為:

W=g(q1+q2)×μ0

(10)

式中:W—刮板鏈單位長度運(yùn)行阻力,N;q1,q2—單位長度刮板鏈及煤散料的質(zhì)量,kg/m;μ0—當(dāng)量摩擦系數(shù)。

其中:

(11)

其中:

(12)

α=arctanμcc

(13)

式中:μss,μcs,μcc—鋼與鋼,煤與鋼,煤與煤之間的摩擦系數(shù);θρ—側(cè)壓系數(shù);γ—煤散料的密度,kg/m3;H—煤散料堆積高度,m;h1—刮板的高度,m。

故有:

(14)

根據(jù)仿真模型參數(shù)設(shè)置及刮板輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況,再結(jié)合式(14)可知,影響刮板鏈運(yùn)行阻力的主要因素為單位長度煤散料的質(zhì)量和煤散料的堆積高度。

鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷和刮板輸送機(jī)啟、制動(dòng)過程中的動(dòng)載荷等,將使刮板輸送機(jī)在工作過程中受到?jīng)_擊力的作用。其中:

(1)由多邊形效應(yīng)引起的動(dòng)載荷F1為:

F1=3m1gamax

(15)

(16)

式中:m1—刮板鏈輸送煤散料的折算重量(同q1和q2正相關(guān)),kg;amax—刮板鏈條瞬時(shí)最大加速度,m/s2;v—刮板鏈的運(yùn)行速度;Z—驅(qū)動(dòng)鏈輪齒數(shù);ψ—鏈條節(jié)距,m。

(2)刮板鏈啟、制動(dòng)過程中的動(dòng)載荷F2為:

(17)

式中:m2—電動(dòng)機(jī)輸出軸上的折算質(zhì)量(同q1和q2正相關(guān)),kg;D—驅(qū)動(dòng)鏈輪的節(jié)圓直徑,m;ω—電動(dòng)機(jī)輸出軸的角加速度,rad/s2;i—驅(qū)動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比;τ—驅(qū)動(dòng)裝置的傳動(dòng)效率。

由式(15,17)可知,在刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程中,影響其動(dòng)載荷大小的主要因素為刮板鏈和煤散料的質(zhì)量及刮板鏈運(yùn)行速度的大小。

4.2 平穩(wěn)工況下鏈環(huán)接觸力特征

在平穩(wěn)工況下,為探索刮板輸送機(jī)鏈環(huán)間力的變化,筆者分別選取兩條刮板鏈位于煤散料穩(wěn)定運(yùn)輸區(qū)上的接觸點(diǎn)Connect132和Connect47,刮板輸送機(jī)運(yùn)行至7 s時(shí)兩接觸點(diǎn)位置,如圖8所示。

圖8 接觸點(diǎn)位置示意圖

由RecurDyn生成的兩接觸點(diǎn)在7 s～10 s內(nèi)的接觸力變化曲線,如圖9所示。

圖9 平穩(wěn)工況下兩鏈環(huán)間接觸力

圖9中,受鏈傳動(dòng)多邊形效應(yīng)的影響,鏈環(huán)接觸力呈現(xiàn)出明顯的周期性變化,Connect132的波動(dòng)范圍為0.147 kN～76.196 kN,Connect47的波動(dòng)范圍為1.890 kN～122.556 kN;通過對(duì)比兩側(cè)接觸力值大小可以發(fā)現(xiàn),Connect132處鏈環(huán)間的接觸力明顯低于Connect47,這是由于煤散料堆積量不同造成的。

筆者截取9.3 s時(shí)刻刮板輸送機(jī)上煤散料橫向堆積分布圖,如圖10所示(對(duì)煤顆粒進(jìn)行壓縮力的著色處理,著色越深代表煤顆粒所受壓縮力越大)。

圖10 煤散料堆積

由圖10可知,B區(qū)域煤散料的堆積量明顯多于A區(qū)域,其煤顆粒間壓縮力的著色也明顯深于A側(cè),而煤散料堆積量將會(huì)影響煤散料堆積高度及刮板鏈單位長度煤散料質(zhì)量,由式(14)可知靠近擋煤板側(cè)的刮板鏈將會(huì)承受更大的載荷。

4.3 緊急停機(jī)工況下鏈環(huán)接觸力特征

刮板輸送機(jī)從第7 s開始進(jìn)入減速階段,歷時(shí)1 s。在刮板輸送機(jī)停機(jī)工況下,筆者取Connect47表征鏈環(huán)間的接觸力變化,如圖11所示。

圖11 停機(jī)工況下Connect47處鏈環(huán)間的接觸力

整個(gè)停機(jī)工況下,鏈環(huán)間的接觸力先增大后減小,接觸力值在0.745 kN～77.602 kN范圍內(nèi)波動(dòng);其中,在7.39 s～7.66 s的時(shí)刻內(nèi),為接觸力變化的峰值區(qū)間Ⅰ;在緊急停機(jī)工況下,刮板鏈的速度急劇降低,煤散料堆積量有所上升。

由式(14,15,17)可知,煤散料的堆積可造成刮板鏈間的接觸力上升,刮板鏈的速度急劇降低可造成刮板鏈的動(dòng)載荷下降;鏈環(huán)間的接觸力在短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)上升趨勢(shì),是因受到煤散料堆積的影響;但相比于平穩(wěn)運(yùn)輸階段的周期性波動(dòng),減速階段鏈環(huán)的接觸力整體變化幅度較小,且接觸力減小,可說明在制動(dòng)過程中,影響刮板鏈間接觸力的主要因素為鏈的減速運(yùn)動(dòng),而非煤散料堆積。

4.4 滿載啟動(dòng)工況下鏈環(huán)接觸力特征

刮板輸送機(jī)緊急停機(jī)后需滿載啟動(dòng),將煤料排空后采煤機(jī)開始截割,恢復(fù)正常輸運(yùn)。滿載啟動(dòng)時(shí),刮板輸送機(jī)鏈環(huán)間Connect47處接觸力的變化趨勢(shì)如圖12所示。

圖12 啟動(dòng)工況下Connect47處鏈環(huán)間的接觸力

由圖12可知:刮板輸送機(jī)在第9 s達(dá)到正常輸運(yùn)速度0.8 m/s。整個(gè)啟動(dòng)工況開始瞬間，鏈環(huán)并未受到?jīng)_擊,隨著速度增加,鏈環(huán)間接觸力逐漸增大。在8.8 s～10.15 s的區(qū)間Ⅱ內(nèi),受中部槽停機(jī)時(shí)煤散料堆積的影響,刮板輸送機(jī)的運(yùn)行阻力增加;同時(shí),運(yùn)行速度的增加導(dǎo)致刮板與鏈輪嚙合振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷增加,導(dǎo)致刮板鏈間的接觸力值異常增大且呈周期性變化,最大值達(dá)到161.328 kN,而后在區(qū)間Ⅲ內(nèi)恢復(fù)正常。

該結(jié)果與眾多學(xué)者研究的刮板輸送機(jī)帶載啟動(dòng)時(shí)鏈環(huán)受力增大的結(jié)論一致。但其中鏈環(huán)受到的沖擊并非在啟動(dòng)瞬間,而是隨著刮板鏈速度的增加有相對(duì)的延遲性。

5 結(jié)束語

針對(duì)復(fù)雜工況下刮板鏈的載荷多變問題,筆者建立了刮板輸送機(jī)剛散耦合模型,對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證;并結(jié)合實(shí)際情況,對(duì)復(fù)雜工況下的刮板輸送機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行了仿真模擬和分析計(jì)算,具體結(jié)論如下所示:

(1)從分析煤顆粒間、煤顆粒與中部槽間相互作用的力的角度,探索了刮板輸送機(jī)上縱向散料流形成及橫向堆積輪廓的成因,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步探索了重載段鏈環(huán)的力學(xué)特性,指出了煤散料堆積是影響刮板鏈運(yùn)行阻力的主要因素,而煤散料堆積和運(yùn)行速度是影響刮板鏈產(chǎn)生動(dòng)載荷的主要因素;

(2)平穩(wěn)工況下,刮板鏈環(huán)間的接觸力值呈現(xiàn)明顯的周期性變化,且靠近擋煤板側(cè),受煤散料堆積量的影響，其值在1.890 kN～122.557 kN范圍內(nèi)波動(dòng),波動(dòng)幅度比機(jī)道煤側(cè)更大;

(3)緊急停機(jī)工況下,刮板鏈環(huán)間的接觸力先增大后減小,其值在0.745 9 kN～77.602 kN范圍內(nèi)波動(dòng),主要影響因素為刮板鏈鏈速,次要因素為煤散料堆積;

(4)在滿載啟動(dòng)工況下,刮板鏈環(huán)受到的沖擊并非在啟動(dòng)瞬間。受啟動(dòng)速度的加大及停機(jī)時(shí)煤散料堆積影響,刮板鏈接觸力值異常增大且呈周期性變化,最大值達(dá)到161.328 kN。

在后續(xù)的研究中,筆者將進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試,以對(duì)上述的研究結(jié)果作試驗(yàn)驗(yàn)證。