刮板輸送機上散料流形成及重載段鏈環力學特性分析*

畢文杰,李 博,王學文

(太原理工大學 機械與運載工程學院,山西 太原 030024)

0 引 言

刮板輸送機是綜合機械化采煤工作的關鍵設備,其工作環境惡劣且載荷多變;在刮板輸送機緊急停機或滿載啟動時,刮板鏈會承受很大的動張力而極易發生疲勞斷裂事故[1],這將直接影響整個輸運過程的穩定性。因此，關于刮板輸送機上煤散料及刮板鏈靜、動力學特性一直是研究熱點。

王堯等[2]根據散體力學散狀物料的極限平衡理論,對刮板輸送機上散料流形成過程及其負載沖擊特性進行了分析。姚艷萍[3]和蔡柳[4]等使用離散元法,分別通過模擬仿真,研究了刮板輸送機上煤散料的運動特征和力學行為。同時,研究人員們又通過模擬仿真或計算的方式驗證了刮板鏈在不同工況下的力學特性。其中,毛君等[5]研究了刮板輸送機模型異常載荷激勵參數。王愛民等[6]繪制了刮板鏈條動態特性曲線。王學文等[7]建立了剛柔耦合動力學分析模型與接觸計算模型。張東升等[8]則構造了刮板輸送機動力學微分方程。

眾多的研究結果表明,鏈環間的接觸位置有應力集中現象,且在復雜工況下，圓環鏈間的接觸力、產生的動載荷和造成的振動沖擊等具有顯著的差異。其中,負載啟動瞬間刮板鏈受力沖擊現象最為明顯,也更易產生卡鏈、斷鏈等事故[9-13]。但在構建模型時,這些研究對刮板輸送機上承載問題的處理均是在刮板鏈特定位置施加載荷,而忽略了在運輸過程中因煤散料的下落和運動對整個刮板鏈造成的影響。

筆者在以上研究的基礎上,以散體力學、多體動力學為理論依據,利用離散單元法工程應用軟件EDEM和多體動力學仿真軟件RecurDyn分別建立刮板輸送機離散元模型和多體動力學模型,并進行剛散耦合,完整地模擬刮板輸送機上煤散料由下落到運輸的整個過程。同時，發揮EDEM在處理顆粒問題上的優勢,以及RecurDyn處理幾何體間復雜運動及受力問題的優勢,對復雜工況下刮板輸送機的運行進行仿真計算。

筆者從探究刮板輸送機上散料流形成及變化的角度探知復雜工況下刮板輸送機重載段鏈環的力學特性,同時通過理論性計算與仿真運行結果分析來更為直觀地反映刮板鏈載荷變化特性及成因,為進一步降低緊急停機和滿載啟動時刮板鏈的動態沖擊、預知承載系統故障、優化刮板輸送機的結構及提高輸運效率提供理論基礎。

1 刮板輸送機仿真模型

1.1 幾何模型

以SGZ880/800型號的刮板輸送機為研究對象,考慮到建立完整的刮板輸送機模型將導致多剛體系統中剛體、運動副和參與仿真的煤顆粒數目大量增加,筆者對模型進行了必要的結構簡化,去除掉實際刮板輸送機機頭、機尾、過渡槽和擋板,只保留水平段下中部槽的部分結構,并添加刮板導槽,確保在鏈輪驅動狀態下刮板輸送機上的煤散料正常運輸。

筆者構建的刮板輸送機幾何模型如圖1所示。

圖1 刮板輸送機幾何模型

刮板輸送機模型的具體參數如表1所示。

表1 刮板輸送機參數

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置為Hertz-Mindlin(no slip),使得顆粒間的接觸與碰撞的計算更準確、高效。在該模型中,假設半徑分別為R1、R2的兩球形顆粒接觸時,接觸區域為圓形,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,仿照真實煤顆粒構建的煤顆粒模型,如圖2所示。

圖2 煤顆粒

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

表2 煤顆粒的粒徑分布

1.3 多體動力學模型

RecurDyn軟件的基礎功能在于處理多剛體的運動學和動力學問題[18]。在仿真模型的中部槽共設置800個接觸副,其接觸形式為Solid-Solid;中部槽與地面之間、刮板導槽與地面之間設置固定副;鏈輪軸與地面之間,鏈輪與鏈輪軸之間設置旋轉副,并添加驅動函數實現鏈輪正常回轉。

筆者查閱相關文獻[19-21],并根據刮板輸送機模型設定了接觸副參數值,如表3所示。

表3 接觸參數

2 刮板輸送機仿真模型驗證

為了確保仿真結果的正確性,筆者對所建刮板輸送機剛散耦合模型進行了驗證。對于井下正在進行采礦作業的刮板輸送機,在不破壞其中部槽內散料堆積的情況下,無法對其煤散料分布情況進行分析;且在兩鏈環間進行力的傳感器布置也存在難度。因此,筆者將刮板輸送機產生的振動特性,與煤顆粒隨其振動特性所呈現的變化規律相結合,進行理論計算驗證。

因鏈傳動存在多邊形效應及刮板同鏈輪嚙合時產生的周期性振動,使得在輸運過程中,煤散料在豎直和水平方向上呈現周期性振動變化。筆者對其仿真結果進行分析,將統計算得的整體煤散料的速度變化周期值與理論計算值作對比。其中,振動特性可體現多體動力學模型的正確性,而煤散料隨之產生的運動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—耦合仿真中設置的水平鏈速,取值為0.8 m/s。

筆者將仿真統計的煤散料速度變化周期值t1、t2同計算所得刮板嚙合周期值t進行對比,其具體的操作如下:

在EDEM后處理中將中部槽劃分成48個區間,如圖3所示。

圖3 網格劃分區間

水平方向上煤散料的速度變化周期統計如圖4所示。

圖4 水平方向上煤散料的速度變化周期統計

圖4(a)為每個區間內煤散料水平方向上的平均速度。由圖4(a)可知,單個區間內煤散料速度呈現典型的周期性變化;對各區間內的周期值進行統計結果如圖4(b)所示。

筆者使用變異系數法對統計數據進行分析,若變異系數大于15%,則要考慮剔除不正常的數據點。

(6)

式中:xi—振動時間間隔,s。

樣本的標準差S1為:

(7)

式中：n1—觀測次數(在刮板輸送機仿真運行過程中,對所有區間網格內水平方向上速度的變化周期為穩定值的個數進行統計,其值為271)。

變異系數C1·V1為:

(8)

因此,可以認為樣本統計值為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,即可認為由仿真所得煤散料因刮板嚙合振動所引起的速度,在水平方向上和豎直方向上變化周期同理論計算所得刮板的嚙合周期一致。因此,該模型的正確性得以驗證。

3 刮板輸送機上散料流形成

在運輸過程中,刮板輸送機上煤散料縱向和橫向的分布如圖5所示。

圖5 刮板輸送機煤散料分布示意圖

經刮板鏈帶動,煤散料向前運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摩擦力,且以此克服了下層煤散料同槽壁間的內摩擦力,因此兩層散料一起向前運動,形成連續不斷的散料流。下層煤顆粒在輸送方向上受到兩側刮板限制,排列緊密,運動方向有序。而在鏈傳動多邊形效應的影響或落煤的沖擊作用下,整個煤散料層間將會出現滑移現象,煤顆粒在輸送過程被攪拌、翻滾,故上層煤散料運動方向較為混亂。

筆者取仿真運行到8.5 s時刻刮板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格,如圖6所示。

圖6 煤顆粒沿高度方向上網格

每個網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高低狀的波浪形,而在橫向截面上呈現弧形。

4 刮板輸送機重載段鏈環接觸力特征

4.1 重載段鏈環力學特性

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

根據刮板輸送機上散料流的形成、煤散料的力學特性等,可推知重載段刮板輸送機單位長度上的運行阻力為:

W=g(q1+q2)×μ0

(10)

式中:W—刮板鏈單位長度運行阻力,N;q1,q2—單位長度刮板鏈及煤散料的質量,kg/m;μ0—當量摩擦系數。

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;θρ—側壓系數;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)

根據仿真模型參數設置及刮板輸送機實際運行情況,再結合式(14)可知,影響刮板鏈運行阻力的主要因素為單位長度煤散料的質量和煤散料的堆積高度。

鏈傳動的多邊形效應產生的動載荷和刮板輸送機啟、制動過程中的動載荷等,將使刮板輸送機在工作過程中受到沖擊力的作用。其中:

(1)由多邊形效應引起的動載荷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),kg;amax—刮板鏈條瞬時最大加速度,m/s2;v—刮板鏈的運行速度;Z—驅動鏈輪齒數;ψ—鏈條節距,m。

(2)刮板鏈啟、制動過程中的動載荷F2為:

(17)

式中:m2—電動機輸出軸上的折算質量(同q1和q2正相關),kg;D—驅動鏈輪的節圓直徑,m;ω—電動機輸出軸的角加速度,rad/s2;i—驅動裝置的總傳動比;τ—驅動裝置的傳動效率。

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

4.2 平穩工況下鏈環接觸力特征

在平穩工況下,為探索刮板輸送機鏈環間力的變化,筆者分別選取兩條刮板鏈位于煤散料穩定運輸區上的接觸點Connect132和Connect47,刮板輸送機運行至7 s時兩接觸點位置,如圖8所示。

圖8 接觸點位置示意圖

由RecurDyn生成的兩接觸點在7 s～10 s內的接觸力變化曲線,如圖9所示。

圖9 平穩工況下兩鏈環間接觸力

圖9中,受鏈傳動多邊形效應的影響,鏈環接觸力呈現出明顯的周期性變化,Connect132的波動范圍為0.147 kN～76.196 kN,Connect47的波動范圍為1.890 kN～122.556 kN;通過對比兩側接觸力值大小可以發現,Connect132處鏈環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時刻刮板輸送機上煤散料橫向堆積分布圖,如圖10所示(對煤顆粒進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區域煤散料的堆積量明顯多于A區域,其煤顆粒間壓縮力的著色也明顯深于A側,而煤散料堆積量將會影響煤散料堆積高度及刮板鏈單位長度煤散料質量,由式(14)可知靠近擋煤板側的刮板鏈將會承受更大的載荷。

4.3 緊急停機工況下鏈環接觸力特征

刮板輸送機從第7 s開始進入減速階段,歷時1 s。在刮板輸送機停機工況下,筆者取Connect47表征鏈環間的接觸力變化,如圖11所示。

圖11 停機工況下Connect47處鏈環間的接觸力

整個停機工況下,鏈環間的接觸力先增大后減小,接觸力值在0.745 kN～77.602 kN范圍內波動;其中,在7.39 s～7.66 s的時刻內,為接觸力變化的峰值區間Ⅰ;在緊急停機工況下,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載荷下降;鏈環間的接觸力在短時間內呈現上升趨勢,是因受到煤散料堆積的影響;但相比于平穩運輸階段的周期性波動,減速階段鏈環的接觸力整體變化幅度較小,且接觸力減小,可說明在制動過程中,影響刮板鏈間接觸力的主要因素為鏈的減速運動,而非煤散料堆積。

4.4 滿載啟動工況下鏈環接觸力特征

刮板輸送機緊急停機后需滿載啟動,將煤料排空后采煤機開始截割,恢復正常輸運。滿載啟動時,刮板輸送機鏈環間Connect47處接觸力的變化趨勢如圖12所示。

圖12 啟動工況下Connect47處鏈環間的接觸力

由圖12可知:刮板輸送機在第9 s達到正常輸運速度0.8 m/s。整個啟動工況開始瞬間，鏈環并未受到沖擊,隨著速度增加,鏈環間接觸力逐漸增大。在8.8 s～10.15 s的區間Ⅱ內,受中部槽停機時煤散料堆積的影響,刮板輸送機的運行阻力增加;同時,運行速度的增加導致刮板與鏈輪嚙合振動時產生的動載荷增加,導致刮板鏈間的接觸力值異常增大且呈周期性變化,最大值達到161.328 kN,而后在區間Ⅲ內恢復正常。

該結果與眾多學者研究的刮板輸送機帶載啟動時鏈環受力增大的結論一致。但其中鏈環受到的沖擊并非在啟動瞬間,而是隨著刮板鏈速度的增加有相對的延遲性。

5 結束語

針對復雜工況下刮板鏈的載荷多變問題,筆者建立了刮板輸送機剛散耦合模型,對模型進行了驗證;并結合實際情況,對復雜工況下的刮板輸送機的運行進行了仿真模擬和分析計算,具體結論如下所示:

(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,探索了刮板輸送機上縱向散料流形成及橫向堆積輪廓的成因,并以此為基礎進一步探索了重載段鏈環的力學特性,指出了煤散料堆積是影響刮板鏈運行阻力的主要因素,而煤散料堆積和運行速度是影響刮板鏈產生動載荷的主要因素;

(2)平穩工況下,刮板鏈環間的接觸力值呈現明顯的周期性變化,且靠近擋煤板側,受煤散料堆積量的影響，其值在1.890 kN～122.557 kN范圍內波動,波動幅度比機道煤側更大;

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

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

在后續的研究中,筆者將進行相應試驗測試,以對上述的研究結果作試驗驗證。