摘要： 【目的】推進刮板輸送機向智能化方向發(fā)展， 解決研究人員難以在環(huán)境惡劣的井下進行刮板輸送機相關(guān)試驗、 實驗室受客觀條件限制無法復現(xiàn)相關(guān)工作條件等問題。 【方法】采用仿真試驗的方法模擬井下復雜的工作條件。 通過刮板輸送機1∶3試驗平臺， 從試驗與理論的角度驗證刮板輸送機仿真模型的可靠性； 仿真設(shè)定不同工作傾角與走向傾角， 分析不同地形條件對刮板輸送機輸運效率及鏈條張力的影響； 利用有限元仿真， 探究鏈環(huán)的疲勞壽命變化趨勢。 【結(jié)果】刮板輸送機的工作傾角為14°～-21°時， 輸運效率逐漸增加至飽和， 工作傾角為-21°時質(zhì)量流量為436.6 kg/s； 走向傾角為-10°～5°時， 輸運效率逐漸增加至飽和， 走向傾角為5°時質(zhì)量流量為360.7 kg/s。 不同工作傾角下， 刮板輸送機2條鏈條張力呈上山增大、 下山減小的變化趨勢； 當走向傾角為-10°～10°時， 鏈2的張力先增大后減小， 而鏈1的張力則不斷增大。 正常工況下鏈環(huán)的疲勞壽命為32.64 d， 工作傾角為14°～-21°時， 鏈環(huán)的疲勞壽命呈現(xiàn)指數(shù)型上升趨勢； 走向傾角為-10°～10°時， 鏈1中鏈環(huán)的疲勞壽命呈現(xiàn)指數(shù)型下降趨勢， 鏈2中鏈環(huán)的疲勞壽命為先下降后上升的變化趨勢。 【結(jié)論】利用仿真試驗能夠有效解決刮板輸送機相關(guān)試驗難以開展的問題； 利用驗證后的刮板輸送機仿真模型， 可以準確模擬刮板輸送機在井下的工作情況， 定量分析不同工況下煤料與刮板輸送機之間的相互作用。

關(guān)鍵詞： 刮板輸送機； 輸運效率； 鏈條張力； 疲勞壽命

中圖分類號： TD528； TH227； TB44文獻標志碼：A

引用格式：

張鵬， 麻豪洲， 李博， 等. 不同地形條件下刮板輸送機輸運效率及鏈環(huán)疲勞壽命［J］. 中國粉體技術(shù)， 2024， 30（2）： 45-59.

ZHANG P， MA H Z， LI B， et al. Transportation efficiency and chain ring fatigue life of scraper conveyor under different terrain conditions［J］. China Powder Science and Technology， 2024， 30（2）： 45-59.

刮板輸送機是煤礦綜合機械化采煤工作面的主要工作設(shè)備之一。為響應綜采智能化發(fā)展，刮板輸送機必然向長運距、高可靠性與智能化方向發(fā)展［1］。由于研究人員難以在工作環(huán)境惡劣的井下進行相關(guān)研究，而實驗室受限于客觀條件等因素又無法復現(xiàn)相關(guān)工作條件，因此仿真試驗憑借低成本、 高安全性、 可控試驗條件等優(yōu)勢，被廣泛應用于刮板輸送機等煤機裝備的相關(guān)研究［2-4］。

學者們將離散元法（discrete element method，DEM）與多體動力學（multi-body dynamics，MBD）相結(jié)合，在WALL文件實現(xiàn)剛體信息與煤料信息實時共享的基礎(chǔ)上研究煤機裝備的運動學、 動力學效應、 煤料的離散特性。陳洪月等［5］通過DEM-MBD耦合仿真方法研究了掘錨機在全煤層、含水煤層、 含矸石煤層等不同地形條件下的行駛通過性能與動力學特性。王學文等［6］基于磨粒磨損機DEM-MBD雙向耦合模型，對不同仿生結(jié)構(gòu)的中板進行了受力分析與磨損深度分析。刮板輸送機輸運煤料時鏈傳動系統(tǒng)的振動特性會受煤料影響［7-8］，因此學者們基于刮板輸送機DEM-MBD耦合模型，真實模擬刮板輸送機輸運煤料的過程，進一步分析其動力學等特性。Ma等［9］基于刮板輸送機耦合模型，建立中部槽耦合磨損模型，分析了刮板的動力學特性及中部槽的磨損特性。Jiang等［10］建立簡單的鏈傳動系統(tǒng)耦合模型，研究了不同條件下煤塊對中部槽的沖擊以及鏈傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性。王學文等［11］則在刮板輸送機耦合模型的基礎(chǔ)上，研究了不同工況條件下的刮板輸送機剛散耦合效應。

刮板輸送機主要任務為輸運煤料，但在實際生產(chǎn)工作中，刮板輸送機輸運效率與鏈環(huán)張力均會受到不同地形條件影響，尤其是鏈環(huán)在低于破斷載荷的不斷沖擊下發(fā)生疲勞破壞，導致鏈環(huán)故障頻發(fā)，嚴重影響生產(chǎn)安全與效率［12］。Ryszard等［13］利用疲勞試驗機，研究了鏈環(huán)疲勞斷裂過程與斷裂機制，發(fā)現(xiàn)鏈環(huán)在相鄰鏈環(huán)的沖擊張力下會產(chǎn)生疲勞裂紋。毛君等［14-15］通過張力應變測試裝置，采集刮板輸送機空載試驗中鏈條張力數(shù)據(jù)，并對平環(huán)進行了有限元分析與疲勞壽命預測。張可等［16］模擬分析了鏈環(huán)的接觸碰撞過程，并通過Miner線性疲勞累積損傷理論對鏈環(huán)的壽命進行了預測，發(fā)現(xiàn)其最短壽命發(fā)生在直臂與彎臂的連接處。Zhang等［17］研究了隨機載荷對礦用V型鎖緊鏈環(huán)的影響。

目前關(guān)于刮板輸送機的仿真研究中，對于刮板輸送機耦合仿真模型的可靠性有待進一步驗證，而針對刮板輸送機鏈環(huán)疲勞壽命的研究中，工況條件較為單一，未考慮地形條件對鏈傳動系統(tǒng)的影響。本研究中從試驗以及理論的角度驗證了刮板輸送機DEM-MBD耦合模型的可靠性，并以不同地形條件為工況，研究不同工作傾角和不同走向傾角下刮板輸送機輸運效率、鏈條張力以及鏈環(huán)的疲勞壽命變化趨勢，為后續(xù)開展不同地形工況下刮板輸送機輸運效率與鏈環(huán)疲勞壽命狀態(tài)監(jiān)測，鏈環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進提供參考。

1 耦合模型構(gòu)建與驗證

1.1儀器設(shè)備

ZH07-A-1500型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器（北京中航科電測控技術(shù)有限公司）；ZHK-D型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀（北京中航科電測控技術(shù)有限公司）。

1.2刮板輸送機模型構(gòu)建

圖1所示為刮板輸送機模型。本研究中選用SGZ1000-2×1200型刮板輸送機為研究對象，以輸運方向為y方向，推進方向為x方向，利用Uunigraphics NX12.0 （UG）構(gòu)建與真實樣機1∶3的刮板輸送機簡化模型，如圖1（a）所示。為提高仿真效率與精度，動力學簡化模型僅包括鏈輪、中部槽、刮板和鏈條，

同時添加可供鏈條回轉(zhuǎn)的底槽，在RecurDyn中建立各零部件之間的運動副與接觸關(guān)系，接觸系數(shù)參考文獻［18］設(shè)定。為驗證刮板輸送機仿真模型的可靠性，搭建與仿真模型大小為1∶1的刮板輸送機試驗臺，如圖1（b）所示。根據(jù)模型與真實樣機比例及相似理論計算其相似系數(shù)［19］，選擇基準為幾何參數(shù)L，幾何相似系數(shù)λd=3；而模型的密度相似系數(shù)λρ和重力加速度相似系數(shù)λg保持不變，即λρ=1， λg=1。刮板輸送機各參數(shù)的相似系數(shù)見表1所示。

1.3煤料模型構(gòu)建

煤顆粒構(gòu)建如圖2所示。對破碎后不規(guī)則煤樣顆粒形狀進行觀察與統(tǒng)計，獲得扁平狀、 類塊狀、 類錐狀3種典型形狀的煤顆粒，并采用球形填充方法構(gòu)造顆粒，不同顆粒的形狀與其質(zhì)量占比如圖2（a）所示［20］，煤顆粒的粒徑分布采取正態(tài)分布。

與刮板輸送機配套的采煤機型號為MG500-1200-WD，將平均采高高度折算為煤顆粒下降速度，其3個方向的初速度分別為x方向為-0.22 m/s， y方向為-0.123 m/s， z方向為-2.25 m/s。在EDEM中選擇Hertz-Mindlin模型（No-slip）［21］作為粒子之間和粒子與剛體之間的接觸模型，仿真中涉及的參數(shù)設(shè)置包括本征參數(shù)與接觸參數(shù)，由文獻［18］中標定所得，見表2所示。

1.4耦合模型驗證

1.4.1 刮板鏈速與鏈輪轉(zhuǎn)矩

圖3所示為仿真模型驗證曲線。將速度與時間尺度經(jīng)相似理論換算后，空載仿真中刮板鏈速度的曲線如圖3（a）所示， 受多邊形效應影響［22］， 平環(huán)與刮板在和鏈輪發(fā)生嚙合時， 刮板鏈速度處于先增后減的波動狀態(tài)， 刮板從鏈輪1運行至鏈輪2共用時3.703 s， 此刮板之前的平環(huán)及刮板共與鏈輪2嚙合波動23次， 平均波動周期為0.161 s， 理論值波動周期通過式（1）計算， 結(jié)果為0.164 s， 二者誤差僅為1.83%， 符合刮板輸送機運行規(guī)律， 驗證了空載模型的運動學特性。

t=L1v ，（1）

式中： t為波動周期； L1為2倍鏈節(jié)距， 取值292 mm； v為水平鏈速，取值1.78 m/s。

在運載試驗穩(wěn)定運行過程中，通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采集轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)，并對仿真試驗所得數(shù)據(jù)進行平滑處理，如圖3（b）所示。從圖中可以看到，真實試驗結(jié)果與仿真試驗平滑后結(jié)果趨勢基本一致，對真實試驗與仿真試驗取均值進行對比，真實試驗轉(zhuǎn)矩均值為49.948 N·m，仿真試驗均值為54.941 N·m，二者誤差為10.00%，驗證了耦合模型的可靠性。

1.4.2 相似理論驗證

本研究中側(cè)重于鏈傳動系統(tǒng)的研究，因此通過運行阻力公式［23］計算無載側(cè)阻力（圖1（a）中S1—S2）與有載側(cè)（圖1（a）中S3—S4）阻力，其原理表達式為

Fk=q1L2g（ω cos βsin β） ，（2）

Fzh=（qm ω+q1ω1）L2g cos β±（qm+q1）L2g sin β ，（3）

式中： Fk為無載側(cè)運行阻力； ql為單位長度刮板鏈質(zhì)量； L2為刮板輸送機輸運長度； g為重力加速度； ω1為刮板鏈在槽內(nèi)運行的阻力系數(shù)； β為工作傾角； Fzh為有載側(cè)運行阻力； qm為單位長度中部槽的裝煤量；ω為煤在槽內(nèi)運行的阻力系數(shù)。

選取刮板輸送機不同位置點為研究對象，在穩(wěn)定運行階段分別記錄5個位置點經(jīng)過有載側(cè)階段以及無載側(cè)階段時的鏈條張力。為驗證相似理論的可靠性，根據(jù)表1所示，將仿真鏈條阻力乘27倍，換算為原模型鏈條阻力，并與理論計算結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖4所示。

圖4中藍色實線為阻力均值，黑色虛線為誤差均值，仿真中無載側(cè)阻力均值為3 788.5 N，與理論值誤差均值為12.34%；仿真中有載側(cè)阻力均值為13 547.7 N，誤差均值為7.71%，二者均在可接受范圍內(nèi)，證明耦合模型模擬刮板輸送機輸運煤散料過程與相似理論均具備一定的可靠性。

1.5不同地形條件工況仿真設(shè)定

刮板輸送機工作環(huán)境惡劣，在輸運煤料時會受地形、煤質(zhì)等因素影響呈現(xiàn)出不同的動力學效應。圖5所示為刮板輸送機工作示意圖。針對不同地形條件，設(shè)置不同工作傾角及不同走向傾角，研究刮板輸送機輸運煤料過程中煤料質(zhì)量流量、 鏈條張力以及鏈環(huán)疲勞壽命變化趨勢，為提高刮板輸送機輸運效率及延長鏈環(huán)壽命提供一定的參考。

定義無傾斜輸運工況（工作傾角為0°、走向傾角為0°、 顆粒工廠生成煤料質(zhì)量流量為611.1 kg/s）作為正常工況。改變重力加速度分量實現(xiàn)對不同地形條件（工作傾角和走向傾角）的調(diào)節(jié)，工況條件設(shè)定如表3所示。正負號代表傾斜方向：工作傾角為正，代表上山工況，為負代表下山工況；走向傾角為正，代表刮板輸送機向擋板側(cè)傾斜，為負代表向煤壁側(cè)傾斜。

2 刮板輸送機輸運效率與鏈條張力

刮板輸送機在輸運煤料的過程中，在圖1（a）中所示的第三節(jié)中部槽位置處，設(shè)置半徑為350 mm的質(zhì)量流量傳感器，將中部槽橫截面完全囊括在內(nèi)，得到不同地形條件下的煤料質(zhì)量流量，即單位時間內(nèi)通過的煤料質(zhì)量，以此衡量刮板輸送機的輸運效率，煤料的質(zhì)量流率越大則刮板輸送機輸運效率越高。

2.1不同工作傾角

2.1.1 輸運效率

不同工作傾角下的煤料質(zhì)量流量結(jié)果如圖6所示。從中可以看出，工作傾角的改變會影響刮板輸送機輸運煤料的輸運效率，從上山工況S14°到下山工況X-28°，輸運效率依次遞增。同時可看出受工作傾角影響，從工況S14°到工況X-28°，煤料落點位置越來越靠近質(zhì)量流量傳感器，因此工況X-28°最先呈現(xiàn)上升趨勢。

圖7所示為不同工作傾角下的煤料y方向速度云圖，其中藍色煤料為沿著輸運方向運行的煤料，為有效輸運煤料，而紅色煤料的速度基本為0，為滯留的煤料。隨著上山工作傾角的增大，紅色煤料增多，工況S14°中，鏟煤板附近出現(xiàn)速度為0的煤料，此時刮板輸送機輸運效率最低，而隨著下山工作傾角的增大，滯留的煤料越來越少，故輸運效率逐漸增加，質(zhì)量流量增加的部分為滯留的煤料。當工作傾角為-21°時，刮板輸送機幾乎不存在滯留的煤料，雖然受隨機因素影響存在落出計算區(qū)域的煤料，但在1.5 s后的穩(wěn)定輸運階段工況X-28°的質(zhì)量流量與工況X-21°的基本一致，其均值分別為436.6、 432.9 kg/s，二者誤差僅為0.86%。

2.1.2 鏈條張力

基于不同工作傾角耦合仿真，提取鏈條張力并進行平滑處理如圖8所示。從圖8（a）中可以看出，隨著上山工作傾角的增大，有載側(cè)階段（時間為2～5 s）鏈環(huán)張力小幅度增大。原因為工況S7°、 S14°與正常工況相比，煤料堆積高度不增反降（圖7（a）、 （b）），頂部煤料在重力分力作用下向顆粒工廠方向（y方向）滑動，在顆粒工廠位置形成一定的堆積，使鏈條張力增大；但受刮板輸送機結(jié)構(gòu)影響，堆積過程中存在部分煤料滑動落出計算區(qū)域，因此鏈條張力增加幅度較小。

（a）上山工況張力（b）下山工況張力

圖8 不同工作傾角下鏈條張力

Fig.8 Chain tension at different working inclinations

從圖8（b）中可看出，與上山工況相反，隨著下山工作傾角的增大，有載側(cè)階段鏈條張力不斷減小，下山工況中頂部煤料向輸運方向（-y方向）滑動，運行阻力大幅減小，故鏈條張力下降幅度較大。在時間為1.5～2 s時，為刮板從鏈輪2嚙出過程，上、 下山工況鏈條張力表現(xiàn)不同，上山工況中，煤料在顆粒工廠位置處堆積并阻礙刮板運動，使得該刮板后的鏈條松弛而張力減小，而下山工況未形成堆積，鏈條張力與正常工況基本一致。

從圖8（a）、 （b）中可看出，在時間為6 s時，刮板鏈嚙出鏈輪1，受重力分力方向不同影響，上山工況中無載側(cè)階段（時間為6～9 s）鏈條張力隨著工作傾角的增大而增大，下山工況中隨工作傾角的增大而減小。理論情況下，在6 s之后，無載側(cè)階段鏈條張力應與有載側(cè)階段內(nèi)類似，以不同運行阻力為斜率呈上升趨勢，上山工況中運行阻力隨著工作傾角的增大而減小，下山工況則隨工作傾角的增大而增大；但由于模型較短難以模擬出該現(xiàn)象，因此利用公式（2），計算出不同工作傾角下刮板輸送機無載側(cè)運行阻力，結(jié)果如表4所示。

2.2不同走向傾角

2.2.1 輸運效率

圖9為不同走向傾角下刮板輸送機輸運煤料的質(zhì)量流量，圖10為不同走向傾角下煤料y方向速度云圖。

從圖9中可看出，當傾角為負時，刮板輸送機輸運效率隨著角度的增大而降低，原因為部分煤料滑動落出中部槽內(nèi)，但當傾角為正時，其輸運效率隨傾斜角度的增大而逐漸增大。從圖10中可以看出，走向傾角越大，擋板附近滯留的煤料越多；但此處煤料的堆積使得藍色部分有效輸運煤料達到飽和狀態(tài)，因此當傾角達到一定值后煤料的質(zhì)量流量不再增加。在1.5 s后穩(wěn)定輸運階段，工況Q10°與工況Q5°的質(zhì)量流量均值分別為362.6、 360.7 kg/s，誤差僅為0.53%。

為精確分析刮板輸送機不同位置的輸運效率，將刮板靠近擋板一側(cè)區(qū)域定義為區(qū)域C，將刮板靠近煤壁一側(cè)區(qū)域與定義為區(qū)域D，如圖10（a）中所示。統(tǒng)計區(qū)域C與D內(nèi)煤料質(zhì)量流量的變化情況，取均值后如圖11所示。從圖中可以看出，區(qū)域C與區(qū)域D中質(zhì)量流量隨走向傾角的變化大致呈現(xiàn)出線性變化趨勢，區(qū)域C的變化速率大于區(qū)域D的。值得注意的是，在正常工況中區(qū)域C與D中質(zhì)量流量并不一致，圖10（c）中煤料看似呈現(xiàn)對稱分布，但實際上受擋板結(jié)構(gòu)與隨機性因素的影響，煤料在堆積過程中區(qū)域C與區(qū)域D通過的煤料會產(chǎn)生一定的差異。

走向傾角為正，煤料在擋板處形成堆積，使得區(qū)域C與D的質(zhì)量流量均增大，二者的差值也逐漸增大；走向傾角為負，部分煤料落出計算區(qū)域，區(qū)域C與D的質(zhì)量流量均減小，在工況Q-5°中，區(qū)域D中質(zhì)量流量大于區(qū)域C中的，二者相差0.822 kg/s，隨傾斜角度的增大，區(qū)域D內(nèi)質(zhì)量流量始終大于區(qū)域C的，且二者差值逐漸增大。

2.2.2 鏈條張力

刮板在中部槽與底槽內(nèi)運動時x方向位移受限，受走向傾角影響較小，鏈條重力x方向的分力相較于對運行阻力可忽略不計，因此僅研究鏈條有載側(cè)階段的y方向受力。分別取2條鏈為研究對象，其中鏈1為靠近擋板側(cè)鏈條，鏈2為靠近煤壁側(cè)鏈條（圖10（a））。利用鏈條之間的張力差值研究不同走向傾角下鏈1與鏈2的張力變化，張力差值計算公式為

Fa=F1， j-F2， j ，（4）

Fb=Fi， j-Fi， 0 ，（5）

式中： Fa為不同走向傾角下鏈1與鏈2的張力差； Fb為同一鏈條在不同走向傾角與正常工況下的張力差；i取1或2； j為不同走向傾角。

圖12為不同工況下有載側(cè)階段鏈1與鏈2的張力差值曲線。從圖中可看出，正常工況中張力差值在0附近波動，說明鏈1與鏈2的張力存在差異，這是由于煤料在刮板輸送機上分布并非完全對稱。當傾角為正時，工況Q5°與Q10°中，2條鏈之間張力差值逐漸增大，傾角為負時，工況Q-5°與Q-10°中鏈條張力差值逐漸減小，但變化幅度低于工況Q5°與Q10°。

對式（5）中Fb取均值，得到不同工況下有載側(cè)階段鏈條的張力差均值，如圖13所示。由圖可知，走向傾角為正時，鏈1張力差均值隨傾角的增大而增大，工況Q5°與Q10°張力差均值分別為687.75、2 196.34 N； 走向傾角為負時，鏈1張力差均值隨傾角的增大而減小，工況Q-5°與Q-10°張力差均值分別為-3 303.76、 -4 138.6 N。刮板輸送機向任意一側(cè)發(fā)生傾斜，鏈2張力差均值隨角度的增大而減小，由小到大排序分別為 Q-5°、 Q-10°、 Q5°、 Q10°，對應數(shù)值分別為463.81、 958.43、 2 226.14、 3 015.69 N。

由圖11可知，走向傾角為負時，工況Q-5°與Q-10°中區(qū)域C與區(qū)域D中質(zhì)量流量均隨傾角增大而逐漸減小，因此鏈1與鏈2的張力均隨傾角的增大而減小，區(qū)域D中煤料質(zhì)量流量變化率小于區(qū)域C，使得鏈2張力變化幅度小于鏈1。走向傾角為正時，區(qū)域D中煤料質(zhì)量流量處于增大趨勢，但圖13中鏈2張力卻隨傾角的增加而減小，其原因為：刮板輸送機發(fā)生走向傾斜時，改變了煤料的分布狀態(tài)，使得中部槽內(nèi)煤料與鏈條受力不均。以工況Q10°為例，由于煤料在區(qū)域C中堆積，受壓縮力較大的紅色部分煤料主要集中分布在區(qū)域C位置，區(qū)域C中煤料對刮板產(chǎn)生的阻力大于區(qū)域D中，導致此處刮板發(fā)生小幅度偏轉(zhuǎn)，因此2條鏈上的張力發(fā)生反向變化，煤料受力與刮板偏轉(zhuǎn)如圖14所示。鏈1的張力隨著傾斜角度的增大而增大，鏈2的張力則出現(xiàn)減小趨勢。

3 鏈環(huán)疲勞壽命

3.1仿真設(shè)置

刮板輸送機鏈傳動系統(tǒng)零件過多，受計算機性能限制，對相鄰鏈環(huán)的幾何模型進行簡化［25］，在不考慮鏈環(huán)焊縫的基礎(chǔ)上，利用UG構(gòu)建立環(huán)與平環(huán)在直行段上的接觸模型，研究對象為立環(huán)。鏈環(huán)尺寸為直徑為42 mm， 長度為146 mm，材料為23MnNiCrMo54，具體參數(shù)見表5。

三鏈環(huán)有限元模型及邊界條件如圖15所示。其中平環(huán)2只能沿y方向移動，設(shè)置接觸對模擬相鄰鏈環(huán)的接觸關(guān)系，接觸采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.2，接觸行為選擇對稱，算法選擇增廣拉格朗日算法，法向剛度系數(shù)設(shè)定為1。

圖16所示為三鏈環(huán)有限元結(jié)果。由圖16（a）可知，鏈環(huán)的等效應力呈對稱分布，最大等效應力位于鏈環(huán)接觸區(qū)域，最小等效應力分布在鏈環(huán)直臂段外側(cè)，鏈環(huán)接觸區(qū)域、鏈環(huán)圓弧段與直臂段的過渡區(qū)域均存在應力集中現(xiàn)象。在載荷為400 kN作用下鏈環(huán)等效應力最大值為2 139 MPa，與文獻［26］在相同載荷下最大等效應力誤差僅為2.77%，鏈環(huán)應力分布云圖與文獻［26］在相同載荷下一致，驗證了三鏈環(huán)有限元模型設(shè)置的可靠性。

從圖16（b）可看出，鏈環(huán)應力在接觸區(qū)域與鏈環(huán)直臂段外側(cè)受壓，應力為負值，而在過渡區(qū)域、鏈環(huán)直臂段內(nèi)側(cè)以及圓弧段外側(cè)受拉，應力為正值，最大拉應力出現(xiàn)在過渡區(qū)域，最大值為601.46 MPa。

考慮到鏈環(huán)受結(jié)構(gòu)與尺寸效應影響，對鏈環(huán)的應力-壽命曲線進行修正，采用古德曼法修正平均應力，材料存活率設(shè)定為90%。為得到不同地形條件下鏈環(huán)的疲勞壽命，在耦合仿真結(jié)果上疊加不同工作與走向傾角下的運行阻力，構(gòu)建相應的載荷譜，同時為便于分析比較，所有工況中的刮板輸送機鋪設(shè)長度均按400 m計算。

在軟件nCode DesignLife中基于準靜態(tài)法對鏈環(huán)進行疲勞壽命分析，對三鏈環(huán)有限元模型加載單位作用力、獲得相應靜力學結(jié)果的基礎(chǔ)上，將模型實際所受動載荷時間歷程建立對應通道，然后將靜力學結(jié)果與動載荷時間歷程通過公式（6）進行計算，求出最終時間歷程應力，并預測零件疲勞壽命。

S（t）=［P（t）Ks+Fs］SFKd ，（6）

式中： S（t）為最終時間歷程應力； P（t）為時序通道內(nèi)的載荷； Ks為載荷比例系數(shù)，默認為1； Fs為載荷的偏移量，默認為0； SF為有限元應力； Kd為名義化因子，默認為1。

3.2不同工作及走向傾角下疲勞壽命分析

正常工況下鏈環(huán)壽命云圖與疲勞斷裂熱點分布如圖17所示。 從圖中可以看出， 鏈環(huán)疲勞壽命較短區(qū)域集中在鏈環(huán)接觸區(qū)域、 彎曲過渡區(qū)域、 鏈環(huán)直臂段內(nèi)側(cè)以及鏈環(huán)圓弧段外側(cè)區(qū)域， 其分布與鏈環(huán)等效應力分布區(qū)域一致。 其中鏈環(huán)疲勞壽命最短節(jié)點位于鏈環(huán)的過渡區(qū)域， 疲勞危險點循環(huán)次數(shù)為4 184， 刮板輸送機運行1個周期所需的時間為449.4 s， 假設(shè)刮板輸送機每天工作16 h， 則該鏈環(huán)的疲勞壽命為32.64 d。

從圖16（b）中可知，鏈環(huán)接觸區(qū)域與彎曲過渡區(qū)域分別為壓應力與拉應力最大的位置， 而鏈環(huán)疲勞斷裂熱點主要集中在鏈環(huán)過渡區(qū)域。 鏈環(huán)過渡區(qū)域萌生的疲勞裂紋， 在拉應力的不斷作用下會逐漸擴展， 最終產(chǎn)生疲勞斷裂。 選取過渡區(qū)域內(nèi)的4個節(jié)點為研究對象， 節(jié)點編號分別為165、 179、 9 271、 9 401。 對過渡區(qū)域4個節(jié)點的疲勞壽命取平均值， 進行不同工作及走向傾角下的疲勞壽命分析， 鏈環(huán)疲勞壽命曲線見圖18。

（a）不同工作傾角（b）不同走向傾角

圖18 鏈環(huán)疲勞壽命

Fig.18 Fatigue life of chain ring

從圖18（a）中可看出， 上山工況中， 工作傾角越大鏈環(huán)疲勞壽命越短； 在下山工況中， 隨著角度的增大， 其疲勞壽命呈現(xiàn)不同的變化趨勢。 下山工況中， 煤-鋼靜摩擦系數(shù)對應的摩擦角為-21.85°， 當工作傾角大于-21.85°時， 煤-鋼之間雖仍存在靜摩擦力， 但靜摩擦力作為有載側(cè)阻力隨著工作傾角的增大持續(xù)減小。 當工作傾角為14°～-21°時， 鏈環(huán)疲勞壽命則呈現(xiàn)指數(shù)型上升趨勢， 理論情況下當工作傾角為21.85°時， 鏈環(huán)疲勞壽命達到最大值。 當工作傾角為-28°時（工況X-28°）， 刮板輸送機無載側(cè)運行阻力大幅增加， 大于其有載側(cè)阻力， 導致鏈環(huán)疲勞壽命開始縮短， 故工況X-28°中鏈環(huán)壽命為281.29 d， 短于工況X-21°（壽命為369.61 d）。

從圖18（b）中可以看出， 走向傾角為-10°～10°時， 鏈1中鏈環(huán)的疲勞壽命呈現(xiàn)指數(shù)型縮短趨勢， 工況Q-10°下鏈環(huán)疲勞壽命最長為534.10 d， 工況Q10°下最短， 僅為7.47 d； 鏈2中鏈環(huán)的疲勞壽命則為先縮短后延長的變化趨勢， 工況Q10°下鏈環(huán)疲勞壽命最長為440.04 d。 由圖13中鏈1與鏈2的張力差均值變化趨勢與圖18（b）中鏈環(huán)的疲勞壽命變化趨勢對比可知， 在不同走向傾角下， 二者的變化趨勢相反。 通過圖18（a）、 （b）中壽命變化幅度對比可知， 走向傾角對鏈環(huán)疲勞壽命的影響大于工作傾角產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)論

1）不同地形條件會影響刮板輸送機的輸運效率。不同工作傾角下，從工況S14°到工況X-21°刮板輸送機輸運效率依次遞增，傾角為-21°時（質(zhì)量流量為436.6 kg/s）飽和。不同走向傾角下，從工況Q-10°到工況Q5°輸運效率依次遞增，傾角為5°時（質(zhì)量流量為360.7 kg/s）飽和；區(qū)域C與區(qū)域D中輸運效率隨走向傾角變化呈線性變化趨勢，區(qū)域C的變化速率大于區(qū)域D。

2）不同地形條件下鏈條張力呈現(xiàn)不同變化趨勢。不同工作傾角下鏈條張力呈上山增大下山減小的變化趨勢。不同走向傾角下，傾角越大，則鏈1與鏈2張力差值越大；傾角為正時，鏈1張力隨傾角的增大而增大，鏈2張力則減小，傾角為負時，鏈1張力隨傾角的增大而減小，鏈2張力同樣減小。

3）鏈環(huán)的最大等效應力位于鏈環(huán)接觸區(qū)域，而最大拉應力位于鏈環(huán)過渡區(qū)域，為601.46 MPa。正常工況下鏈環(huán)的疲勞壽命為32.64 d，工作傾角為14°～-21°時，鏈環(huán)的疲勞壽命呈指數(shù)型延長趨勢；走向傾角為-10°～10°時，鏈1中鏈環(huán)的疲勞壽命呈指數(shù)型縮短趨勢，鏈2中則為先縮短后延長的變化趨勢。

利益沖突聲明（Conflict of Interests）

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻（Author’s Contributions）

張鵬、 麻豪洲、 李博、 董英偉、 王學文參與了實驗設(shè)計、論文的寫作和修改。所有作者均閱讀并同意了最終稿件的提交。

The study was designed by ZHANG Peng， MA Haozhou， LI Bo， DONG Yingwei and WANG Xuewen. The manuscript was drafted and revised by ZHANG Peng， MA Haozhou， LI Bo， DONG Yingwei and WANG Xuewen. All authors have read the last version of paper and consented for submission.

參考文獻（References）

［1］王國法， 杜毅博， 徐亞軍， 等. 中國煤炭開采技術(shù)及裝備50年發(fā)展與創(chuàng)新實踐： 紀念《煤炭科學技術(shù)》創(chuàng)刊50周年［J］. 煤炭科學技術(shù)， 2023， 51（1）： 1-18.

WANG G F， DU Y B， XU Y J， et al. Development and innovation practice of China coal mining technology and equipment for 50 years： commemorate the 50th anniversary of the publication of Coal Science and Technology［J］. Coal Science and Technology， 2023， 51（1）：1-18.

［2］WANG X W， LI B， WANG S W， et al. The transporting efficiency and mechanical behavior analysis of scraper conveyor［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part C： Journal of Mechanical Engineering Science， 2018， 232（18）： 3315-3324.

［3］XIA R， WANG X W， LI B， et al. The prediction of wear on a scraper conveyor chute affected by different factors based on the discrete element method［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part C： Journal of Mechanical Engineering Science， 2019， 233（17）： 6229-6239.

［4］ZHANG P L， LI B， WANG X W， et al. The loading characteristics of bulk coal in the middle trough and its influence on rigid body parts［J］. Strojniski vestnik-Journal of Mechanical Engineering， 2020， 66（2）： 114-126.

［5］陳洪月， 元世浩， ?；⒚?， 等. 不同地質(zhì)條件下掘錨機的行駛通過性能分析［J］. 煤炭學報， 2021， 46（7）： 2112-2122.

CHEN H Y， YUAN S H， NIU H M， et al. Analysis of the driving and passing performance of bolter miner under different geological conditions［J］. Journal of China Coal Society， 2021， 46（7）： 2112-2122.

［6］王學文， 劉朝陽， 李博， 等. 基于響應面法的仿生凹坑型中部槽耐磨性［J］. 煤炭學報， 2022， 47（10）： 3829-3839.

WANG X W， LIU C Y， LI B， et al. Wear resistance of bionic pit-shaped middle trough based on response surface method［J］. Journal of China Coal Society， 2022， 47（10）： 3829-3839.

［7］JIANG S B， HUANG S， ZENG Q L， et al. Dynamic characteristics of the chain drive system under multiple working conditions［J］. Machines， 2023， 11（8）： 1-17.

［8］REN W J， WANG L， MAO Q H， et al. Coupling properties of chain drive system under various and eccentric loads［J］. International Journal of Simulation Modeling， 2020， 19（4）： 643-654.

［9］MA H Z， WANG X W， LI B， et al. Study on the mechanical effect and wear behaviour of middle trough of a scraper conveyor based on DEM-MBD［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part J： Journal of Engineering Tribology， 2022， 236（7）： 1363-1374.

［10］JIANG S B， HUANG S， ZENG Q L， et al. Dynamic properties of chain drive system considering multiple impact factors［J］. International Journal of Simulation Modeling， 2022， 21（2）： 284-295.

［11］王學文， 麻豪洲， 李博， 等. 不同工況條件下刮板輸送機剛散耦合效應研究［J］. 煤炭科學技術(shù)， 2023， 51（11）： 190-201.

WANG X W， MA H Z， LI B， et al. Research on rigid-discrete coupling effect of scraper conveyor under different working conditions［J］. Coal Science and Technology， 2023， 51（11）： 190-201.

［12］ZHANG X， LI W， ZHU Z C， et al. Fault detection for the scraper chain based on vibration analysis using the adaptive optimal kernel time-frequency representation［J］. Shock and Vibration， 2019， 2019： 1-14.

［13］RYSZARD K， MARIUSZ S. Fatigue life testing of the round link mining chains［J］. Management Systems in Production Engineering， 2023， 31（1）： 78-85.

［14］毛君， 王洪濤， 謝苗， 等. 刮板鏈平環(huán)疲勞壽命預測分析［J］. 煤炭科學技術(shù)， 2018， 46（3）： 135-140， 53.

MAO J， WANG H T， XIE M， et al. Prediction and analysis on fatigue life of flat ring in scraper chain［J］. Coal Science and Technology， 2018， 46（3）： 135-140， 53.

［15］毛君， 王洪濤， 謝苗， 等. 基于試驗數(shù)據(jù)對刮板鏈平環(huán)疲勞壽命預測［J］. 機械強度， 2019， 41（4）： 964-970.

MAO J， WANG H T， XIE M， et al. Prediction and analysis on fatigue life of flat ring in scraper chain［J］. Journal of Mechanical Strength， 2019， 41（4）： 964-970.

［16］張可， 楊世文， 高慧峰， 等. 礦用刮板輸送機圓環(huán)鏈損傷分析及壽命預測［J］. 工礦自動化， 2017， 43（7）： 53-57.

ZHANG K， YANG S W， GAO H F， et al. Damage analysis and lifetime prediction of round-link chain of mine-used scraper conveyor［J］. Journal of Mine Automation， 2017， 43（7）： 53-57.

［17］ZHANG Q， WANG H J， GUO T. Fatigue damage of v-lock chain ring under random load［J］. Polish Maritime Research， 2016， 23（S1）： 4-9.

［18］WANG Z S， LI B， LIANG C， et al. Response analysis of a scraper conveyor under chain faults based on MBD-DEM-FEM［J］. Strojniski vestnik-Journal of Mechanical Engineering， 2021， 67（10）： 501-515.

［19］盧進南， 岳建光， 謝苗， 等. 自主激振式輔助截割相似實驗樣機研制及其力學實驗［J］. 機械強度， 2022， 44（2）： 317-325.

LU J N， YUE J G， XIE M， et al. Development of automated excitation auxiliary cutting similar experiment prototype and its mechanical experiment［J］. Journal of Mechanical Strength， 2022， 44（2）： 317-325.

［20］李鐵軍， 王學文， 李博， 等. 基于離散元法的煤顆粒模型參數(shù)優(yōu)化［J］. 中國粉體技術(shù)， 2018， 24（5）： 6-12.

LI T J， WANG X W， LI B， et al. Optimization method for coal particle model parameters based on discrete element method［J］. China Powder Science and Technology， 2018， 24（5）： 6-12.

［21］RICHESSON S， SAHIMI M. Hertz-Mindlin theory of contacting grains and the effective-medium approximation for the permeability of deforming porous media［J］. Geophysical Research Letters， 2019， 46（14）： 8039-8045.

［22］LIU X H， WEI L B. Vibration characteristics research of the polygonal effect of scraper conveyor［J］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering， 2019， 612（3）： 1-9.

［23］王鷹. 連續(xù)輸送機械設(shè)計手冊［M］. 北京： 中國鐵道出版社， 2001.

WANG Y. Continuous conveying machinery design manual［M］. Beijing： China Railway Press， 2001.

［24］GAO K D， WANG L P， DU C L， et al. Research on the effect of dip angle in mining direction on drum loading performance： a discrete element method［J］. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2017， 89： 2323-2334.

［25］梁超， 李博， 王子升， 等. 刮板輸送機圓環(huán)鏈拓撲與響應面優(yōu)化研究［J］. 煤炭工程， 2022， 54（7）： 134-139.

LIANG C， LI B， WANG Z S， et al. Topology and response surface optimization of scraper conveyor round link chain［J］. Coal Engineering， 2022， 54（7）： 134-139.

［26］WANG D G， ZHANG J， ZHU Z C， et al. Crack initiation characteristics of ring chain of heavy-duty scraper conveyor under time-varying loads［J］. Advances in Mechanical Engineering， 2019， 11（9）： 1-11.

Transportation efficiency and chain ring fatigue life of

scraper conveyor under different terrain conditions

ZHANG Peng， MA Haozhou， LI Bo， DONG Yingwei， WANG Xuewen

（College of Mechanical and Transportation Engineering， Shanxi Provincial Key Laboratory of Coal Mining Equipment，

Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， Chaina）

Abstract

Objective Considering that the working environment of the scraper conveyor is relatively harsh， it is difficult for researchers to carry out tests related to the underground scraper conveyor， and the laboratory is unable to reproduce the relevant working conditions due to objective limitations. Compared with real tests， simulation tests have the advantages of low cost， high safety， and controllable test conditions. However， the main difficulty of simulation tests is to verify the accuracy of the simulation model， which directly affects the reliability of the simulation results. Based on the 1∶3 test platform of the scraper conveyor， the real test results and simulation results can be verified and analyzed. This research methods and results would be helpful for the development of scraper conveyors in the direction of intelligence.

Methods The reliability of the scraper conveyor simulation model was verified from the experimental and theoretical perspectives by using a 1∶3 scraper conveyor test platform under the same working conditions. Therefore， the method of simulation test was used to simulate the complex underground working conditions. Moreover， different working inclination angles and striking inclination angles were set in the simulation to analyze the influence of different terrain conditions on the transportation efficiency and chain tension of the scraper conveyor. Finally， the fatigue life change trend of the chain ring was studied by using finite element simulation.

Results and Discussion The results show that the accuracy of the parameters such as scraper chain speed， sprocket torque and scraper conveyor running resistance are above 80% after the experimental and theoretical verification. It is proved that the coupled model simulation for the process of transporting coal bulk material using a scraper conveyor and similar theory have certain reliability. In this paper， the impact of varying working inclination angles ranging from 14° to -21°on the transport efficiency of a scraper conveyor is investigated. When the working inclination angle changes from 14° to -21°， the transport efficiency of scraper conveyor gradually increases until reaching saturation， with a peak efficiency of 436.6 kg/s observed at the working inclination angle of -21°. Similarly， when the strike inclination angle changes from -10° to 5°， the transport efficiency follows a similar trend and achieves a maximum efficiency of 360.7 kg/s at the strike inclination angle of 5°. In this paper， the chain tension of scraper conveyor shows the trend of increasing uphill and decreasing downhill under different working inclination angles. When the strike inclination angle changes from -10° to 10°， the chain 2 tension initially increases and then decreases， while the chain 1 tension keeps increasing. Under normal working condition， the fatigue life of the chain ring is determined to be 32.64 days. Furthermore， as the working inclination angle varies from 14° to -21°， the fatigue life of the chain ring shows an exponential upward trend. Similarly， when adjusting the strike inclination angle from -10° to 10°， the fatigue life of the chain ring in Chain 1 experiences an exponential decline， while the fatigue life of the chain ring in Chain 2 undergoes a downward and subsequently upward trend.

Conclusion In this paper， the simulation test can effectively solve the problem that it is difficult to carry out the test related to the scraper conveyor. Using the verified simulation model of scraper conveyor， it can accurately simulate the complex underground working conditions of the scraper conveyor， and quantitatively analyze the interaction between coal materials and scraper conveyor under different working conditions. This can provide certain reference for the development of scraper conveyor in the direction of intelligence.

Keywords： scraper conveyor; transportation efficiency; chain tension; fatigue life

（責任編輯：王雅靜）

收稿日期： 2023-10-25，修回日期：2023-11-30，上線日期：2024-01-18。

基金項目：國家自然科學基金項目，編號：51875386，52204149，51804207；山西省基礎(chǔ)研究計劃項目，編號：02103021223080，202203021221051。

第一作者簡介：張鵬（1998—），男，碩士生，研究方向為現(xiàn)代設(shè)計理論與方法。E-mail： 1714166989@qq.com。

通信作者簡介：王學文（1979—），男，教授，博士，山西省高等學校優(yōu)秀青年學術(shù)帶頭人，山西省高等學?！?31”領(lǐng)軍人才-優(yōu)秀中青年拔尖創(chuàng)新人才，博士生導師，研究方向為機械設(shè)計及理論。E-mail： wxuew@163.com。