劉治翔， 謝春雪， 毛 君， 謝 苗

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)及裝備研究院 阜新, 123000)

引 言

刮板輸送機(jī)上的物料裝載時通常是不均勻的，刮板鏈條體系在偏置載荷作用下，刮板會產(chǎn)生扭擺，造成兩根鏈條受力不均勻，這樣受力的鏈條就有可能超過安全載荷。

Dolipsk等[1]研究了長壁開采刮板輸送機(jī)動態(tài)載荷計(jì)算方法，并對350m長刮板輸送機(jī)的運(yùn)行載荷進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。Zhang等[2]研究了隨機(jī)載荷對刮板輸送機(jī)V-lock鏈環(huán)的影響，利用ANSYS Workbench分析軟件得到隨機(jī)載荷作用下鏈環(huán)疲勞壽命和損傷云圖。Sobota[3]對刮板輸送機(jī)鏈條和鏈輪的磨損機(jī)理進(jìn)行理論和仿真分析，為長壁開采工作面刮板輸送機(jī)的研制提供了重要依據(jù)。Dolipsk等[4]建立了刮板輸送機(jī)非均勻載荷狀態(tài)的動態(tài)模型并得出了此狀態(tài)下的電機(jī)轉(zhuǎn)差率。李惟慷等[5]基于極端工況鏈條運(yùn)行阻力產(chǎn)生機(jī)理，得到鏈條運(yùn)行阻力推導(dǎo)公式。徐廣明等[6]提出了一種應(yīng)用于不同驅(qū)動工況下刮板鏈條阻力預(yù)張力的計(jì)算新方法。韓德炯等[7]研究了隨著牽引鏈速度的變化，上分段(承載段)和下分段(回程段)運(yùn)行阻力系數(shù)的變化。Zhang等[8]介紹了刮板環(huán)鏈傳動系統(tǒng)的張力分布估計(jì)方法,建立了圓環(huán)鏈傳動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用matlab函數(shù)求解的模型驗(yàn)證了動態(tài)模型的系統(tǒng)性能。馬樹煥[9]研究了刮板輸送機(jī)貨載量的變化對刮板輸送機(jī)動態(tài)特性的影響。蔡柳[10]將有限元法與離散元法相結(jié)合，對刮板輸送機(jī)中部槽中物料動力學(xué)特性進(jìn)行研究。Shi等[11]對刮板輸送機(jī)鏈條和中部槽鏈輪的磨損機(jī)理進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，為提高長壁開采工作面刮板輸送機(jī)的使用壽命提供了重要依據(jù)。王亞濱[12]利用對刮板輸送機(jī)總運(yùn)行阻力進(jìn)行了深入的研究，同時建立了雙電機(jī)驅(qū)動功率平衡控制系統(tǒng)模型并進(jìn)行了模擬分析。

研究物料裝載工況的扭擺振動影響區(qū)域和衰減特性。根據(jù)不同工況的扭擺振動影響區(qū)域和衰減特性，以求解可靠性和精度為前提，確定沿線不同區(qū)段扭擺振動單元的刮板最大數(shù)量，構(gòu)建扭擺振動縮略模型，為實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)整機(jī)扭擺振動特性模型的可求解性提供基礎(chǔ)，并研究物料裝載工況下刮板輸送機(jī)縱向與扭擺耦合振動特性。

1 刮板鏈體系扭擺振動力學(xué)模型構(gòu)建

刮板輸送機(jī)是礦用綜采設(shè)備的主要組成部分，如圖1所示。其工作原理是將敞開溜槽作為煤炭的承載構(gòu)件。將刮板固定在鏈條上作為其牽引構(gòu)件；當(dāng)驅(qū)動裝置帶動鏈輪旋轉(zhuǎn)，使刮板鏈條運(yùn)行時，克服溜槽和底板的摩擦力，推動物料沿溜槽移動，完成物料的輸送任務(wù)。刮板輸送機(jī)主要由三相異步電動機(jī)、液力偶合器、減速器、鏈輪、刮板和鏈條等部分組成。

圖1 刮板輸送機(jī)示意圖Fig.1 Sketch map of scraper conveyor

使用Kelvin-Voigt模型和逐點(diǎn)張力法建立刮板鏈條體系的扭擺振動分析模型。各單元的剛度系數(shù)k[13]可以表示為

(1)

將鏈條質(zhì)量分配到刮板上，將研究區(qū)域內(nèi)n個刮板劃分為n個節(jié)點(diǎn)，用Kelvin-Voigt模型連接各節(jié)點(diǎn)，刮板、鏈條體系的扭擺振動力學(xué)模型和刮板受力如圖2所示。

圖2 刮板鏈條體系扭擺振動分析模型Fig.2 Analysis model of torsional vibration system of scraper chain

將平動坐標(biāo)x(i)與轉(zhuǎn)動坐標(biāo)θ(i)通用x來表示，即廣義坐標(biāo)x(i)，方便以后解方程。i表示第i個刮板；x(i)為第i個刮板的平動位移量，m；x(i+1)為第i個刮板的平動速度，m/s；x(i+2)為第i個刮板的轉(zhuǎn)動角度θ(i)，rad；x(i+3)為第i個刮板的轉(zhuǎn)動角速度，rad/s。Fj(i,1)為第i個刮板后方的圓環(huán)鏈的第1根(靠近煤壁側(cè)的鏈條)的靜張力；Fj(i,2)為第i個刮板后方的圓環(huán)鏈的第2根(靠近煤壁側(cè)的鏈條)的靜張力；W(i)為第i個刮板受到的合外力，N；Fd(i,1)為第i個刮板后方的圓環(huán)鏈的第1根(靠近煤壁側(cè)的鏈條)的動張力；Fd(i,2)為第i個刮板后方的圓環(huán)鏈的第2根(靠近煤壁側(cè)的鏈條)的動張力。

2 扭擺振動影響區(qū)域研究

2.1 扭擺振動應(yīng)力波衰減評價指標(biāo)定義

刮板扭擺振動過程中，如將每個刮板及其連接鏈條視為單元，將會產(chǎn)生“自由度泛濫”，導(dǎo)致模型難于求解，貨載激勵沿線分布、故障激勵狀態(tài)及參量和鏈條動張力具有時變性和沿線不均勻性的特點(diǎn)，導(dǎo)致輸送機(jī)扭擺振動傳遞特性具有時空效應(yīng)。因此，確定輸送機(jī)沿線不同區(qū)段扭擺振動單元的刮板最大數(shù)量，是構(gòu)建刮板鏈條體系扭擺振動縮略模型的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)模型數(shù)值求解的關(guān)鍵。

筆者以扭擺振動應(yīng)力波衰減評價指標(biāo)來評價扭擺激勵作用點(diǎn)周圍刮板受到扭擺激勵的影響范圍。當(dāng)某刮板的扭擺振動應(yīng)力波衰減量低于設(shè)定的評價指標(biāo)，則認(rèn)為該刮板不受扭擺激勵的影響，可劃分到扭擺振動影響區(qū)域外部。扭擺振動應(yīng)力波衰減評價指標(biāo)為

(2)

其中：分子表示第i個刮板左端兩根鏈條的張力差；分母表示第i個刮板左端兩根鏈條的合張力。

扭擺振動應(yīng)力波衰減評價指標(biāo)描述如圖3所示。

圖3 扭擺振動應(yīng)力波衰減評價指標(biāo)描述Fig.3 Torsional vibration stress wave attenuation evaluation index

按照扭擺振動應(yīng)力波衰減指標(biāo)對各種工況刮板鏈條體系扭擺振動應(yīng)力波衰程度進(jìn)行評價，認(rèn)為在扭擺振動激勵點(diǎn)前方或后方第i個刮板的扭擺振動衰減評價指標(biāo)低于設(shè)定的閾值，則認(rèn)為此種工況下第i個之后的刮板不受刮板扭擺振動激勵的作用。在后續(xù)進(jìn)行刮板輸送機(jī)整機(jī)的扭擺振動特性研究時，可將影響區(qū)域之內(nèi)的刮板看作為一個整體進(jìn)行研究，認(rèn)為剩余刮板不受扭擺振動激勵的影響，可平均劃分為若干單元，簡化整機(jī)動力學(xué)模型。

2.2 物料裝載激勵

對于刮板鏈條體系來說，物料裝載過程相當(dāng)于被施加了一個突變載荷。由于煤塊物料在刮板輸送機(jī)斷面方向上的初始時刻分布是不均勻的，這就造成了對刮板和鏈條的偏置載荷。此時將分為兩種情況討論：a.第一種為刮板運(yùn)行前方無物料的情況，此種情況一般發(fā)生在采煤機(jī)啟動瞬間；b.刮板運(yùn)行前方有物料的情況，一般采煤機(jī)運(yùn)行速度低于刮板輸送機(jī)，因此此種情況出現(xiàn)的更多。

以SGZ1000/1050型刮板輸送機(jī)為研究對象，刮板額定鏈速v=1.25m/s；中部槽寬度L=1m；中部槽長度Lc=1.5 m；中部槽上槽高度hc=0.122m；刮板鏈條單位長度的重量γ2=172kg/m；原煤松散密度ρ=1 000 kg/m3；煤塊物料的休止角θ為21.5°；中部槽底板與煤塊物料的摩擦因數(shù)μc=0.5；鋼與鋼之間的摩擦因數(shù)μss=0.39；刮板的長度b=0.12 m；兩個刮板之間的間距s=1.008m；鏈中心距0.16 m。

選取刮板鏈條系統(tǒng)中刮板的個數(shù)n=30。將載荷設(shè)定為階躍型載荷施加在分析模型的第15個刮板處，通過Matlab對刮板鏈條體系的動力響應(yīng)特性進(jìn)行數(shù)值求解，得到刮板運(yùn)行前方無物料時以及刮板運(yùn)行前方有物料工況下的仿真結(jié)果如圖4所示。

物料裝載會引起刮板鏈條體系運(yùn)行速度的波動、刮板扭擺振動以及刮板前后鏈條張力的波動。在扭擺振動激勵點(diǎn)前方無物料時，前方第20個刮板以及后方第10個刮板的扭擺振動應(yīng)力波衰減評價指標(biāo)低于0.5%。認(rèn)為此種工況下，扭擺振動的影響區(qū)域?yàn)閇i-5，i+5]，其中i為在第i個刮板處施加扭擺振動激勵。在后續(xù)進(jìn)行刮板輸送機(jī)整機(jī)的扭擺振動特性研究時，可將影響區(qū)域?yàn)閇i-5，i+5]的刮板看作為一個整體進(jìn)行研究，認(rèn)為剩余刮板不受扭擺振動激勵的影響，可平均劃分為若干單元。在扭擺振動激勵點(diǎn)前方有物料時，前方第18個刮板以及后方第12個刮板的扭擺振動應(yīng)力波衰減評價指標(biāo)低于0.5%，則認(rèn)為此種工況下扭擺振動的影響區(qū)域?yàn)閇i-3，i+3]。

3 縱向扭擺振動模型構(gòu)建及振動分析

3.1 耦合振動分析模型構(gòu)建

根據(jù)物料裝載過程扭擺振動特性影響區(qū)域，構(gòu)建耦合振動分析的等效模型。利用有限單元法，將刮板輸送機(jī)雙鏈傳動系統(tǒng)劃分為若干單元，各單元由Kelvin-Voigt 模型連接，建立考慮扭擺激勵作用的鏈傳動系統(tǒng)的縱向離散化動力學(xué)模型，如圖5所示。

圖4 物料裝載過程刮板鏈條體系扭擺振動響應(yīng)Fig.4 Dynamic response of the scraper chain system in the process of material loading

圖5 刮板輸送機(jī)鏈傳動系統(tǒng)的縱向離散化動力學(xué)模型Fig.5 Longitudinal discretization dynamic model of chain drive system of scraper conveyor

建立考慮扭擺激勵作用的鏈傳動系統(tǒng)縱向離散化動力學(xué)微分方程以各個單元區(qū)段連接點(diǎn)鏈條的動張力為聯(lián)系變量，求解縱向擴(kuò)展動力學(xué)模型獲得瞬態(tài)動張力，以瞬態(tài)動張力作為施加扭擺振動激勵所在單元區(qū)段的兩鏈條總張力，求解單元區(qū)段內(nèi)部刮板鏈條體系的扭擺振動特性。

(3)

3.2 耦合振動分析

使用Matlab進(jìn)行數(shù)值模擬，得到刮板輸送機(jī)上各個單元區(qū)段振動速度和張力波動以及扭擺振動激勵作用的單元區(qū)段內(nèi)各刮板的扭擺振動情況。各個單元區(qū)段的速度、張力波動和激勵單元區(qū)段內(nèi)鏈條的扭擺振動角速度如圖6所示。

圖6 貨載激勵下單元區(qū)段動態(tài)響應(yīng)Fig.6 The next section dynamic response load excitation

貨載激勵會引起刮板輸送機(jī)縱向振動，產(chǎn)生運(yùn)行速度和鏈條張力的波動，刮板運(yùn)行速度與鏈條張力波動最為劇烈處為貨載激勵施加處，分別引起最大值為119.5%的速度波動和78.6%的張力波動。在施加貨載激勵單元區(qū)段內(nèi)貨載激勵會引起刮板鏈條體系刮板扭擺振動，造成刮板鏈條體系內(nèi)部兩個鏈條張力差的波動，兩根鏈條張力差最大為8.6%。進(jìn)一步研究可知，物料裝載過程會引起刮板鏈條體系輕微的扭擺振動，并且初始時候無物料時扭擺振動更明顯。

3.3 降低振動措施

理論研究的目的是為刮板輸送機(jī)實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)依據(jù)，降低刮板輸送機(jī)運(yùn)行時的振動及因其產(chǎn)生的斷鏈?zhǔn)鹿?。降低振動的措施一方面是從設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)上進(jìn)行優(yōu)化，另一方面是從設(shè)備運(yùn)行動態(tài)特性上進(jìn)行優(yōu)化。從經(jīng)濟(jì)性角度分析，不易于從設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)上進(jìn)行優(yōu)化。因此筆者研究時采取的措施是從設(shè)備運(yùn)行動態(tài)特性上進(jìn)行優(yōu)化，即改變輸送機(jī)鏈條預(yù)緊力。刮板輸送機(jī)鏈條張力調(diào)整裝置如圖7所示。

圖7 刮板輸送機(jī)鏈條張力調(diào)整裝置Fig.7 Chain tension adjusting device for scraper conveyor

研究不同預(yù)緊力作用下刮板輸送機(jī)物料裝載工況下的扭擺振動特性。令預(yù)緊力為前文研究工況的1.1倍(16.5kN)和0.9倍(13.5kN)，得刮板輸送機(jī)扭擺振動特性指標(biāo)如表1所示。

表1不同預(yù)緊力下，刮板輸送機(jī)扭擺振動特性指標(biāo)

Tab．1Vibrationcharacteristicsofscraperconveyortwistunderdifferentpreload

預(yù)緊力/kN最大速度波動/%最大張力波動/%最大張力差/%16.5132.689.410.215.0119.578.68.613.5108.859.16.8

通過減少物料裝載時的鏈條張緊力可降低輸送機(jī)縱扭振動的最大速度、張力波動以及兩根鏈條的張力差。實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)物料裝載情況設(shè)計(jì)自適應(yīng)性能實(shí)時調(diào)節(jié)鏈條的初張力以降低輸送機(jī)的振動。

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 刮板輸送機(jī)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)設(shè)備

依托國家能源局研發(fā)中心建設(shè)的綜采成套裝備模擬試驗(yàn)臺對筆者的理論研究進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該實(shí)驗(yàn)臺由模擬煤壁、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)及液壓支架等開采設(shè)備和實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)臺中設(shè)置了鏈環(huán)的應(yīng)力應(yīng)變測試裝置。鏈條受力測試主要包括不同工況鏈條動態(tài)張力波動以及張力值的變化。監(jiān)測時，將應(yīng)變片貼在鏈條平環(huán)鏈上[14]，圖8為應(yīng)變片安裝方式，為使刮板與鏈環(huán)更加準(zhǔn)確嚙合，將應(yīng)變片貼在銑平的鏈條平環(huán)外側(cè)，同時要求做保護(hù)處理。將無線數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)置于刮板內(nèi)，無線數(shù)據(jù)采集模塊與應(yīng)變片連接[15]，實(shí)時采集應(yīng)變片的變化值。

圖8 鏈條應(yīng)變片安裝示意圖Fig.8 Installation diagram of strain gauge

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

使用標(biāo)定好的鏈環(huán)張力傳感器對物料裝載工況下的鏈環(huán)張力進(jìn)行測試。采集鏈環(huán)張力傳感器的微應(yīng)變和經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的張力曲線如圖9所示。

圖9 鏈環(huán)張力傳感器數(shù)據(jù)采集Fig.9 Data acquisition of chain tension sensor

由測試曲線計(jì)算得到的鏈條張力差最大值百分比為10.8%，理論計(jì)算得到的兩根鏈條的張力差最大為8.6%。理論與測試數(shù)據(jù)誤差在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了理論分析的可行性。

5 結(jié) 論

1) 研究物料裝載工況的扭擺振動影響區(qū)域和衰減特性。根據(jù)不同工況的扭擺振動影響區(qū)域和衰減特性，構(gòu)建扭擺振動縮略模型，為實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)整機(jī)扭擺振動特性模型的可求解性提供基礎(chǔ)。

2) 貨載激勵工況下，激勵處前方無物料時的影響區(qū)域?yàn)閇i-5，i+5]，激勵處前方有物料時的影響區(qū)域?yàn)閇i-3，i+3]。

3) 物料裝載工況下，貨載激勵引起激勵施加處最大值為119.5%的刮板速度波動和78.6%的張力波動。在貨載激勵單元區(qū)段內(nèi)兩根鏈條的張力差最大為8.6%。

4) 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論研究結(jié)果，理論與測試數(shù)據(jù)誤差在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了理論分析的可行性。