刮板输送机运载系统力学效应分析及其耐磨策略/博士后文库

第1章 绪论 1.1 研究背景 煤炭作为我国的主体能源之一，其地位在未来很长一段时期内都难以被取代，采煤工业需要满足自动化、大型化、智能化和高效化的要求。刮板输送机是现代化煤炭开采中必不可少的机械设备之一，但是由于恶劣的工作环境和复杂的搬运工况，刮板输送机故障频发，严重降低了煤矿的开采效率，因此对刮板输送机进行研究和优化设计具有重要意义。 刮板输送机的主要结构如图?1.1所示，其主要部件包括机头、机尾、中部槽、刮板、链条、挡煤板等。刮板输送机属于连续运输机械，其链组在头尾链轮的带动作用下推动煤散料在中部槽中运输，其链传动中的动力学特性和力学效应决定着其机械性能和输送效率。刮板输送机稳定的机械性能和高效的输送效率是提高煤矿生产安全和经济效益的重要保障。就目前国内煤矿来看，刮板输送机的相关理论和关键技术还不够完善，各种故障不断发生，严重威胁着工作人员的安全。刮板链组故障是输送过程中*常见的故障之一，包括断链、卡链、飘链等，其中断链和卡链故障严重阻碍刮板输送机的输送效率。中部槽作为煤散料和刮板链组的主要承载和输送部件，通常因过度磨损而发生故障。数据显示，我国每年因磨损而报废的中部槽数量达30万～40万节，钢材成本消耗1.26亿～1.68亿元[1]，再加上停机导致的经济损失等可达数亿元。其他部件如电动机、减速器和液力耦合器等一旦发生故障将直接导致刮板输送机失去动力。 图1.1 刮板输送机的主要结构 刮板输送机工作环境极为恶劣，研究人员很难在保证安全的前提下在井下对刮板输送机工作数据进行采集，而且刮板输送机的体积庞大，井下的三机协同运行过程很难通过井上试验模拟。随着计算机仿真技术的发展，计算机辅助设计方法被广泛应用于解决以上问题。本书所研究的刮板输送机运载系统包含刚体机械(刮板链组、中部槽，即刮板输送机上承担运输、承载功能的中间段)和煤散料，其中煤散料是一种典型的离散元系统。为了提高模拟仿真的可靠性，将多种仿真技术进行耦合，如离散元法(discrete element method，DEM)、有限元法(finite element method，FEM)和多体动力学(multi-body dynamics，MBD)仿真。 为获取与井下环境更符合的刮板输送机工作数据，需要在模拟仿真中设置其复杂的搬运工况。由于受到井下地质环境的影响，刮板输送机工况较为复杂，包括上下山工况、中部槽沿推移方向倾斜工况和槽帮局部堆积工况等，分析不同工况下运载系统的力学效应，可对刮板输送机优化设计提供数据支撑。 通过建立与优化煤颗粒离散元模型和刮板输送机模型，可提高模拟仿真的准确性。通过研究复杂工况下运载系统的受力特征和接触力学效应，可为刮板输送机优化设计提供理论基础。通过中板磨损仿真与试验研究磨损机理和规律，提出中板选材策略和仿生耐磨策略，可降低经济和时间成本，提高经济效益。 1.2 刮板输送机力学效应研究现状 1.2.1 刮板输送机接触力学 刮板输送机工作状态下的接触力学效应非常复杂，主要包含刚体与刚体的接触、刚体与散体的接触、散体与散体的接触。其中刚体与刚体的接触又分为链轮与链环的接触、中部槽与刮板链的接触、链环与链环间的接触。刮板输送机接触力学的研究对优化刮板输送机和预防故障具有重大作用。目前研究大部分着重于链轮与链环间的接触、链环与链环间的接触。曾庆良等[2]建立了刮板输送机链传动系统的参数化有限元模型，分析了不同转速下链轮和链条的动力学特性，发现有较大的接触力存在于链窝底部，且链环与链轮啮合过程中存在接触滑移。焦宏章等[3]利用瞬态动力学分析软件MSC.Dytran探究了卡链过程中链轮与圆环链之间的接触动力学特性，发现随着链轮与圆环链“冲击-反弹”，*大应变在0.06s内经历了4次“小—大—小”的周期性变化，且应变峰值随循环次数的增加逐渐降低。王学文等[4]建立了链传动系统的刚柔耦合动力学分析模型与接触计算模型，研究发现，负荷启动会使圆环链与链轮之间产生较大的冲击应力与荷载变形，尤其在链环间接触处、链环直臂到弯臂过渡部分以及链轮齿根与链窝处变形较大，且有应力集中现象，需对链环节距、啮合间隙与链窝结构进行优化设计。谢苗等[5]利用链轮传动系统中链轮和链环啮合接触的有限元模型，得到接触力的特性曲线和接触力*大的位置等，为传动系统关键零部件的优化设计提供了设计理论和参数。毛君等[6]利用LS-DYNA软件研究了工作状态下链环与链环间、链环与链轮间的接触特性。廖昕等[7]通过对比某型号中部槽-哑铃销的非线性接触变化和力学特性，发现中部槽应力过大区域发生在弧形侧与哑铃销接触部位，该区域塑性变形严重。 1.2.2 刮板输送机动力学 刮板输送机在工作状态下涉及复杂的力学作用关系，有学者在其动力学方面开展了研究。韩德炯等[8]通过建立完整的动力学模型计算出小型刮板输送机链条张力，采用差分法求出动张力的变化曲线，通过验证，发现其结果与实际情况相符。刘英林等[9]为了解决刮板输送机顺序启动的问题，基于其所建立的动力学有限元模型，对不同工况、不同启动方式下的机头和机尾链轮与链条之间的张力、机头和机尾的平均功率进行对比和研究，为顺序启动提供了理论基础。张春芝等[10]为降低刮板链故障频率，建立了刮板输送机刚体和刚-柔耦合动力学模型，以研究其动力学特性，得到链环的疲劳特性。闫向彤等[11]通过刚柔耦合动力学仿真，发现刮板输送机链轮受到较大的冲击和应力，尤其是齿根部位。毛君等[12]基于有限元法利用MATLAB软件对卡链故障进行仿真分析，发现不同位置卡链时刮板链速度和张力的变化特征，通过试验验证了仿真的真实性。张东升等[13]利用有限元法构造了刮板输送机动力学微分方程，并通过仿真分析了刮板输送机在满载启动、可控启动、自由停机、制动后再启动等工况下的动力学特性，为设计大功率刮板输送机提供了理论基础和试验依据。 由以上刮板输送机力学效应研究得到的结果均为刮板输送机本身部件的动力学接触特性，而忽略了输送机与煤散料间的力学效应。 1.3 刮板输送机运载系统故障研究现状 对刮板输送机结构进行分析，刮板输送机在工作过程中容易产生的故障主要涉及刮板链组故障、中部槽故障及其他故障等，其发生概率如图1.2所示[14]。 图1.2 刮板输送机出现各种故障的概率[14] 1.3.1 刮板链组故障 刮板链组在拉动煤散料过程中受链轮的拉伸、煤散料的摩擦和冲击作用等，极易出现以下影响刮板输送机使用的故障：①卡链，中部槽对口的错位导致刮板链卡在某一位置；②断链，刮板链链环过度磨损、突然受到巨大的冲击载荷和卡链故障处理不及时都会使刮板链断裂，从而中断煤散料运输，延误生产；③飘链，刮板输送机安装不平、不直导致刮板链在煤体以上运行；④脱链，机头歪斜或刮板链张紧力不足等导致刮板链脱出链轮；⑤跳链，刮板输送机铺设不平整导致底链出槽。 刮板链组故障的类型、原因和影响十分复杂。许多研究者对刮板输送机刮板链组的故障机理和预防展开了研究。谢苗等[15]为研究卡链工况下链轮与链环啮合接触力的规律，建立了链轮链条虚拟样机模型，得到接触应力*大值及对应的位置。李隆等[16]利用EDEM软件研究了卡链位置对链条张力的影响，得出有载侧机头和机尾链条张力差值是无载侧的3倍以上，且确定出卡链*危险的位置为有载侧机头处。谢春雪等[17]对单侧卡链工况下刮板链条体系扭摆振动特性进行了探索和研究，结果表明，刮板链条体系强烈扭摆振动的主要原因是卡链，前后无物料的扭摆振动比前后均有物料情况更为剧烈。叶平等[18]采用表面波电磁声技术成功研制出电磁声探伤装置和电磁声传感器，为运动状态下圆环链的在线检测奠定了理论和技术基础。吴孙阳等[19]针对断链故障，设计出通过检测链条的应力突变情况，即可判断某链条是否断链的检测系统。董刚等[20]提出一种基于卷积神经网络和支持向量机的声音信号识别模型，该模型具有较高的飘链识别准确性。 1.3.2 中部槽故障 中部槽故障主要涉及中板磨损失效、轨座断裂、槽帮断裂和哑铃销断裂等，其中以中板磨损失效*为常见。 为了改善中部槽易破损、成本高等问题，廖昕等[7]对某型号中部槽-哑铃销进行了极限工况下的强度非线性分析。为探索中部槽故障机理和规律，Xia等[21]基于离散元法，预测了不同因素影响下中部槽的磨损状况，结果表明，中部槽磨损与铺设角度呈负相关，与链速、煤的硬度、尺寸、煤矸石含量呈正相关。刘泽平等[22]为得到超重型刮板输送机中部槽可靠度、*大应力的分布、疲劳寿命和可靠度，对其分别进行了静力学强度分析和可靠性分析、疲劳可靠性分析以及考虑磨损的疲劳寿命分析。王萍等[23]为了实现哑铃销断裂检测及断裂保护，建立了一个能够检测并判断哑铃销断裂状态及位置的系统，并通过支架控制器控制溜槽动作。针对中部槽易断裂的问题，许联航等[24]通过试验及有限元分析，发现其*大应力位置及Si、Mn、Cr、P和Mo等元素偏高直接影响中部槽的硬度。王鹏[25]针对重型刮板输送机轨座断裂问题，对轨座进行了强度分析，并对材质和结构进行了优化设计，极大地降低了成本。 1.3.3 其他故障 其他故障主要包含电机故障、减速器故障和液力耦合器故障。国内研究者在此方面进行了深层次的探索和研究。张彦霞[26]对刮板输送机电动机烧损原因进行了研究，并提出相应的措施以达到延长电机寿命的目的。张永强等[27]为了提高系统故障诊断的容错率，建立了基于多传感器数据融合的减速器故障诊断模型。针对某减速器齿轮轴失效问题，赵美卿等[28]通过有限元分析对其接触强度、弯曲强度及疲劳寿命进行了校准，发现其失效原因为加工缺陷。张宇[29]针对液力耦合器故障情况下难以更换和拆卸的问题，提出改进液力耦合器的措施，全面提高了工作效能。 1.4 刮板输送机磨损研究现状 1.4.1 刮板输送机磨损机理 刮板输送机磨损问题主要是其关键承载部件——中部槽的磨损问题。 研究磨损问题的根本在于磨损机理的研究。早期国内外学者结合摩擦学理论，通过观察分析中部槽磨损后的表面形貌和金相组织来判断中部槽的磨损机理。例如，赵运才等[30]建立了刮板输送机中部槽的摩擦学系统模型，由理论分析得出中部槽磨损存在多种机制，一般工况下主要是磨粒磨损和腐蚀磨损，重载工况下更易发生黏着磨损；金毓州等[31]应用MM-200磨损机进行了工况模拟试验，与中板的磨损形貌研究对比后发现，磨粒磨损和黏着磨损是中部槽磨损的主要机理；温欢欢等[32]实地测量了磨损报废中部槽的相关数据，发现主要磨损部位为中板链道和边沿、槽帮和上下弧顶，并且研究了中部槽磨损报废标准和过煤量的关系；张长军等[33]通过分析煤-钢摩擦系统的材料磨损机制，发现工况对钢的磨损率影响较大，圆环链带动原煤与中板进行磨损以及刮板推动原煤与槽帮进行磨损的严重程度远大于原煤直接与中部槽进行磨损；唐果宁等[34]利用扫描电子显微镜观察中部槽的磨损形貌，发现恶劣工况下的磨粒磨损主要发生在中部槽的链道区域，磨损形貌为重复碾压的条状犁沟和类似切削的磨痕，其他区域为轻微磨粒磨损；张维果等[35]通过分析煤的磨料特性以及中部槽的失效形式后得出，微观切削和塑性变形为中部槽磨料磨损的主要形式。 矿山机械磨损的试验研究主要是利用各种相同磨损机理的磨损模拟机来近似磨损时接触副的状态进行的。邵荷生等[36]将M-200磨损试验机进行改装后，对含碳量不同的钢进行了“三体”磨料磨损试验，发现当煤与材料的硬度比超过0.64时，煤相对材料便属于一种硬质磨料，犁沟—塑性变形—断裂成为主要的磨损形式。梁绍伟等[37]为了研究刮板与中部槽的摩擦机理，以不同类型的煤作为磨料，采用MFT-4000多功能摩擦测试仪进行试验，发现当无烟煤、焦煤、褐煤作为磨料时，磨损量依次减小。Shi等[38]利用MLS-225湿砂半自由磨损