刮板輸送機動力學特性仿真與試驗研究

范少杰

（山西省河曲縣晉神能源有限公司 沙坪洗煤廠，山西 沂州 036500）

1 概 況

刮板輸送機為綜采工作面與采煤機和液壓支架相互配套的運輸設備，在實踐應用中發現刮板輸送機在可靠性、使用壽命方面并不能夠完全適應實際運輸的需求，其中一大主要原因是對刮板輸送機的動力學特性掌握不足，無法通過設計或應用改善其動力學特性。因此，本文以SGD320/17B型刮板輸送機為例，通過仿真分析和試驗2種手段綜合對刮板輸送機的動力學特性展開研究。

2 刮板輸送機動力學特性仿真分析

刮板輸送機與采煤機、液壓支架統稱為綜采工作面的三機，具有復雜的運行模式和受力特性，主要表現在如下方面。

（1）由于綜采工作面生產條件復雜、環境惡劣，除了煤層片幫等惡劣工況的影響外，刮板輸送機運輸負載會隨著采煤機的往復運動、截割深度的變化以及液壓支架的推移等運動狀態發生變化。

（2）在刮板輸送機結構方面，鏈條和鏈輪之間的傳動由于存在多變效應導致鏈條的運動模式更加復雜，其對應的受力情況也相對復雜。鏈條會發生彈性拉長，加劇了鏈條的復雜性。

基于AMESim軟件建立刮板輸送機動力學仿真模型，并利用Vogit建立鏈傳動和整個輸送系統的模型，研究其在不同鏈速和不同張力下對應的動力學特性。

2.1 刮板輸送機動力學仿真分析分析

基于AMESim軟件建立SGD320/17B型刮板輸送機動力學仿真模型，如圖1所示，參數如下：

圖1 刮板輸送機動力學仿真模型Fig.1 Dynamics simulation model of scraper conveyor

刮板輸送機長度/m 80

鏈輪節圓直徑/m 0.193

鏈輪傳動輪齒的齒數 6

驅動電動機額定轉速/（r·min-1） 1 470

刮板輸送機減速器傳動比 24.95

輸送能力/（t·h-1） 40

主要對額定工況下不同位置的速度和張力進行仿真分析。

（1）不同位置的速度變化。在啟動工況下，2號、3號位置的加速度大于1號和4號位置，其速度存在明顯的波動；在正常工作工況下，2號、3號位置的速度變化與1號和4號位置相比存在一定的滯后性。

（2）不同位置的張力變化。1號位置處鏈條的張力最小，4號位置處鏈條的張力最大，2號和3號位置的鏈條張力居中。在啟動階段，4號位置處的鏈條張力值迅速增至最大值；1號位置處的鏈條張力值迅速降低至最小值，對應的2號和3號位置處的張力值減小，但是3號位置處的張力值變化幅度較小。在正常工作工況下，由于刮板輸送機鏈條多邊效應的影響，4個位置鏈條的張力始終處于動態波動狀態，波動最大的位置為4號位置，最小為3號位置。

2.2 多工況下鏈傳動系統動力學特性仿真分析

在刮板輸送機基礎動力學特性仿真分析的基礎上，進行多工況下的動力學特性分析，重點考慮在不同運行阻力、不同運行速度和不同地形下傳動系統的動力學特性。

根據刮板輸送機的組成，鏈傳動系統包括有驅動鏈輪、從動鏈輪、立環以及平環等。為了兼顧對鏈傳動系統在多工況下動態特性的充分分析和計算的難度，對模型進行簡化，基于ADAMS軟件建立鏈傳動仿真模型，如圖2所示。

圖2 刮板輸送機鏈傳動仿真模型Fig.2 Chain drive simulation model of scraper conveyor

鏈傳動系統鏈速分別為0.2、0.4、0.6和0.8 m/s，負載阻力分別為5、10、20、30和40 kN，地形傾角分別為2°、4°、6°、8°、10°的情況進行仿真分析，設定仿真時長為3 s，所得仿真結論如下。

（1）隨著鏈速的增加，刮板輸送鏈條傳動系統在緊變和松邊均出現波動情況，而且波動趨勢隨著鏈速的增加而增加，鏈條的波動在多邊效應的影響下呈現周期性的變化。

（2）隨著負載阻力的增加，對應鏈傳統系統驅動輪的轉矩明顯增加，并呈現周期性的波動，波動周期與實時鏈速和齒數相關；鏈條傳動系統緊邊的接觸力大于松邊。

（3）地形傾角的變化對鏈條傳動系統緊邊的接觸力影響不大，主要對松邊位置鏈輪與鏈環之間的接觸力有影響，但影響也很微小。

3 刮板輸送機動力學特性試驗研究

在實驗室搭建刮板輸送機動力學特性試驗臺，對其實際工況下的動力學特性進行研究。試驗臺是在SGD320/17B型刮板輸送機基礎上改進的，對其中部槽長度、刮板間距等改造以保證其適用實驗室環境。試驗臺配置機械模塊、電氣控制模塊和測量模塊。機械模塊包括除刮板輸送機以外的液壓調節千斤頂、支撐鋼板等；電氣控制模塊包括變頻器和變頻電機，變頻器型號為QBN9000-30，變頻電機功率為18.5 kW；測量模塊包括DH5905動態信號無線采集傳感器、電渦流互感器、轉速測量裝置等。

此次試驗主要對鏈速、地形以及負載因素下刮板輸送機的動力學特性進行對比。刮板輸送機的鏈速通過對電機頻率進行調節實現控制，設定變頻器的頻率為2、4、6、8、10、12、14、16、18、20 Hz，對應的刮板輸送機的鏈速分別為0.023 6、0.047 1、0.070 7、0.094 3、0.117 8、0.141 4、0.165 0、0.188 5、0.212 1、0.235 7 m/s。不同的地形包括平直工況、水平彎曲工況、垂直彎曲工況以及水平+垂直彎曲復合工況4種情況。鑒于在實驗室無法模擬刮板輸送機滿載運行的工況，此次試驗對空載和負載2種工況下的情況進行分析。

（1）在實際工況下，隨著變頻電機頻率的增加，即鏈速的增加，對應刮板輸送機刮板與中部槽以及鏈條與鏈輪之間振幅增加。因此，在實際生產中為了保證刮板輸送機的穩定運行，需保證刮板與中部槽之間能夠實現平穩過渡。

（2）在水平和垂直彎曲的復合工況下，刮板輸送機的動力學特性對其鏈條與鏈輪之間嚙合頻率最敏感；在水平和垂直彎曲2種工況下最容易出現中部槽刮卡的現象。

（3）在空載條件下運行，刮板輸送機各輸出軸的振幅明顯下降，且鏈條與鏈輪之間嚙合頻率相對穩定；在負載條件下運行，刮板輸送機機頭鏈輪和機尾鏈速的速度差明顯增加，鏈條出現抖動現象。

4 結 論

本文從理論和試驗2方面對SGD320/17B型刮板輸送機的動力學特性進行分析，得出如下結論。

（1）隨著鏈速的增加，刮板輸送鏈條傳動系統在緊變和松邊均出現波動情況，而且波動趨勢隨著鏈速的增加而增加，鏈條的波動在多邊效應的影響下呈現周期性的變化。隨著負載阻力的增加，對應鏈傳統系統驅動輪的轉矩明顯增加，并呈現周期性的波動，波動周期與實時鏈速和齒數相關；鏈條傳動系統緊邊的接觸力大于松邊的位置。地形傾角的變化對鏈條傳動系統接觸力影響不大。

（2）在實際工況下，隨著變頻電機頻率的增加，即鏈速的增加，對應刮板輸送機刮板與中部槽以及鏈條與鏈輪之間振幅增加，在實際生產中為了保證刮板輸送機的穩定運行，需保證刮板與中部槽之間能夠實現平穩過渡。在水平和垂直彎曲的復合工況下，刮板輸送機的動力學特性對其鏈條與鏈輪之間嚙合頻率最敏感，在水平和垂直彎曲兩種工況下最容易出現中部槽刮卡的現象。在空載條件下運行，刮板輸送機各輸出軸的振幅明顯下降，且鏈條與鏈輪之間嚙合頻率相對穩定；在負載條件下運行，刮板輸送機機頭鏈輪和機尾鏈速的速度差明顯增加，鏈條出現抖動現象。