（工程力学专业论文）刮板输送机动力学行为分析与控制理论研究.pdf

摘要 本文总览了刮板输送机理论研究的现状，分析了现有研究的不足。 分析了刮板输送机链条纵向振动的特点并进行适当简化，推导出纵向振动的基本 方程，考虑驱动性能差异确定了不同工况下的边值及初始条件。构造了振动方程的标 准形式，得出了特定情况下的解析解。 研究了刮板输送机振动力学有限元模型的构造方法，分析了影响因素，在考虑链 条的非线性特征、溜槽的弹性以及溜槽间隙、物料的物理特性、刮板的扭转、自动张 紧系统作用等因素的情况下，构造了4 种动力有限元模型并导出相应的振动微分方 程；研究了刮板推移物料的力学问题：导出了保持物料稳定运行的刮板间距以及推力 计算式；研究了在无载侧形成料栓时刮板的推力以及刮板输送机的运行阻力，以运行 阻力最小为目标优化刮板间距，结果与目前工程设计值基本一致；为便于建立仿真数 据库，研究了常用驱动装置的特性，构造了动力学模型，建立了数学模型；分析了水 平弯曲段处的受力和链条的张力差：推导出溜槽单元体摩擦阻力的计算式以及链轮与 链条啮合角的计算式；在考虑链环间弹性接触问题的情况下，推导出链条的弹性伸长、 刚度与拉力的关系，证明了其刚度具有非线性特征。 研究了动力仿真模型的构造方法，设计了一个能够描述输送机线路特征的形态函 数，实现了动力仿真的自动建模；提出了对故障及异常载荷的模拟方法。开发了仿真 软件，对刮板输送机的起动、制动、卡链、断链、链轮有限齿数波动链条产生的冲击 ( 又称多边形效应) 、链条节距误差等不同工况下进行了数值仿真，根据仿真结果分 析了各种工况下不同因素对动载荷的影响。 研究了刮板输送机动态特性的控制理论及方法，对刮板输送机的起制动特性进行 了研究，理论研究和仿真结果证明了控制起动速度可行，且按反“s ”曲线起动最优； 研究了以动载荷最小为目标函数的输送机主参数的匹配优化问题，运用振动与控制工 程的理论推导出动态优化设计的目标函数和约束条件，并提出了便于工程应用的无共 振设计方法；分析了刮板输送机链条预紧力对工作性能的影响，提出3 n 板输送机链 条预紧力的自动控制原理，设计了用电液比例阀或电液伺服阀控制的液压系统，研究 其控制理论，推导出控制系统的传递函数，将模糊p i d 控制器引入到该系统的控制中， 通过实例仿真证明了这种预紧力控制系统和控制方法具有很好的响应和稳定性。 实测了双速电动机直接起动的头尾双驱动输送机在起动、自动停机以及稳定运行 时的链条动张力、链轮转速，并与理论分析结果比较，二者具有相同的规律，证明了 理论研究的正确性。 关键词：刮板输送机动力学行为形态函数数值仿真控制理论 a b s t r a c t t h i sp a p e rh a sg i v e nao v e r v i e wo ft h ea c t u a l i t ya b o u tr e s e a c ho ns c r a p e rc o n v e y e r t h e o r y , a n di th a sa n a l y z e dt h ed e f i c i e n c ya b o u tt h er e s e a r c hi ne x i s t e n c e t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h el o n g i t u d i n a lo s c i l l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs e m p e rc o n v e y e r c h a i na n dc a r r i e do nt h es u i t a b l es i m p l i f i c a t i o n i th a sd e d u c e dt h ef u n d a m e n t a le q u a t i o no f l o n g i t u d i n a lo s c i l l a t i o n c o n s i d e r i n g t h ea c t u a t i o np e r f o r m a n c e d i f f e r e n c e ，i t h a s d e t e r m i n e dt h eb o u n d a r yv a l u e sa n di n i t i a lc o n d i t i o n su n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e s i t a l s oh a sc o n s t r u c t e dt h es t a n d a r df o r mo fv i b r a t i o ne q u a t i o n ，a n do b t a i n e di t sa n a l y t i c s o l u t i o ni nt h es p e c i f i cs i t u a t i o n t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h es t r u c t u r em e t h o do fs e m p e rc o n v e y e rv i b r a t i o nm e c h a n i c s f i n i t ee l e m e n tm o d e l ，a n da n a l y z e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r s c o n s i d e r i n gt h en o n - l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c so f t h ec h a i n , t h ee l a s t i c i t yo f d o w n s p o u t i n ga sw e l la st h ed o w n s p o u t i n gg a p t h em a t e r i a lp h y s i c a lp r o p e r t i e s ，t h es c r a p e rt w i s t , t h ef u n c t i o no fa u t o m a t i ct i g h t e n i n g s y s t e m ，i th a sc o n s t r u c t e d4k i n do fd y n a m i cf i n i t ee l e m e n tm o d e l sa n dd e d u c e dt h e c o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o nd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s i th a ss t u d i e dt h em e c h a n i c sq u e s t i o no ft h e s c r a p e rw h e np r o c e s s i n gm a t e r i a l i th a sd e r i v e dt h es c r a p e r ss p a c i n gt om a i n t e n a n c e m a t e r i a ls t a b l em o v e m e n ta sw e l l 部t h et h r u s tc a c u l a t i n gf o r m u l a i th a ss t u d i e dt h e s c r a p e rt h r u s ta n dt h em o v e m e n tr e s i s t a n c eo fs c r a p e rc o n v e y e rw h e nm a t e r i a lh i t c h f o r m e do nt h en o - l o a ds i d e t a k i n gt h em i n i m u mo p e r a t i n gr e s i s t a n c ea st h eg o a lt o o p t i m i z et h es c r a p e r ss p a c i n g ，t h er e s u l t sa r e c o n s i s t e n tw i t ht h ep r e s e n te n g i n e e r i n gd e s i g n v a l u e si nt h er o u g h i no r d e rt ob ea d v a n t a g e o u sf o rt h ee s t a b l i s h m e n to fs i m u l a t i o n d a t a b a s e ，i th a ss t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m m o n l yu s e dd r i v i n gd e v i c e s ，c o n s t r u c t e d t h ed y n a m i c sm o d e l s ，e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l s ，a n a l y z e dt h es t r e s sa n dt e n s i o n d i f f e r e n c eo fc h a i ni nl e v e lc u r v i n gs e c t i o n , a n dd e d u c e dt h ef r i c t i o nd r a gm a t h e m a t i c a l f o r m u l ao fd o w n s p o u t i n gu n i ta n dt h em a t h e m a t i c a lf o r m u l ao fm e s h i n ga n g l eb e t w e e n c h a i nw h e e la n dt h ec h a i n c o n s i d e r i n gt h es p r i n gc o n t a c tq u e s t i o no fc h a i nl i 如, s ，i th a s d e d u c e dt h er e l a t i o n so f t h ee l a s t i ce l o n g a t i o n ，t h er i g i d i t ya n dt h ep u l l i n gf o r c eo f c h a i n i t h a sp r o v e nt h en o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co f i t sr i g i d i t y t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h es t r u c t u r em e t h o do f d y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l ，d e s i g n e da l i n es h a p ef u n c t i o nw h i c hc a nr e f l e c tt h ec o n v e y e rc h a r a c t e r i s t i c s ，r e a l i z e dt h ea u t o m a t i c m o d e l i n go fd y n a m i cs i m u l a t i o n ，p r o p o s e dt h es i m u l a t i o nm e t h o d sf o rt h eb r e a k d o w na n d u n u s u a ll o a d ，a n dd e v e l o p e dt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e i tc a r r i e do nt h em a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o n su n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e ss u c ha st h es c r a p e rc o n v e y e rs t a r t i n g ，b r a k i n g ， c h a i nb l o c k e d ，c h a i nf r a c t u r e ，p o l y g o ne f f e c t , a n dc h a i np i t c he r r o r a n di th a sa n a l y z e dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，p r o p o s e dt h ei n f l u e n c eo nd y n a m i cl o a do fd i f f e r e n tf a c t o r si ne a c hk i n d o f s i t u a t i o n t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h ec o n t r o lm e t h o da n dt h e o r yo f s c r a p e rc o n v e y e rd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s i th a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c ho nt h es t a r t i n ga n d b r a k i n gc h a r a c t e r i s t i c so f s c r a p e rc o n v e y e r t h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ep r o v e nt h a tt h e c o n t r o ls t a r t i n gs p e e dw a sf e a s i b l e ，a n ds t a r t i n ga c c o r d i n gt h eo p p o s i t e s c u r v ew a s o p t i m a l i z i n g t a k i n gt h em i n i m u md y n a m i cl o a da st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ，i th a ss t u d i e d t h em a i np a r a m e t e rm a t c h i n go p t i m i z a t i o nq u e s t i o no fc o n v e y e r u s i n gv i b r a t i o na n d c o n t r o le n g i n e e r i n gt h e o r y , i th a sd e d u c e dt h eo b j e c t i v ef u n c t i o no fd y n a m i co p t i m i z e d d e s i g na n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，a n dp r o p o s e dt h en o n - r e s o n a n c ed e s i g nm e t h o df o r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s i th a sa n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fc h a i np r e t i g h t e n i n gf o r c e0 1 1 s c r a p e rc o n v e y e ro p e r a t i n gp e r f o r m a n c e ，p r o p o s e dt h ea u t o m a t i cc o n t r o lp r i n c i p l eo f s c r a p e rc o n v e y e rc h a i np r e t i g h t e n i n gf o r c e ，d e s i g n e dt h eh y d r a u l i cs y s t e mc o n t r o l e db yt h e e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o nv a l v eo re l e c t r o h ) ，d r a u l i cs e r v ov a l v e ，s t u d i e dt h ec o n t r o l t h e o r y , d e d u c e dt h ep r o p a g a t i o nf u n c t i o no fc o n t r o ls y s t e m ，a n di n t r o d u c e dt h ep i d c o n t r o l l e ri nt h ec o n t r o l l i n go ft h i ss y s t e m t h r o u g ht h ee x a m p l es i m u l a t i o n ，i th a sp r o v e n t h a tt h i sk i n do fp r e t i g h t e n i n gf o r c ec o n t r o ls y s t e ma n dc o n t r o lm e t h o dh a dt h ev e r yg o o d r e s p o n s ea n ds t a b i l i t y t h ed y n a m i ct e n s i o na n dc h a i nr o t a t i n gs p e e do ft h ed o u b l ed r i v e dc o n v e y e ro nt h e h e a da n dt h et a i lo fd o u b l es p e e de l e c t r i cm o t o rh a v e b e e nt e s t e dw h e ns t a r t i n g ， a u t o 。s t o p p i n ga n ds t a b l eo p e r a t i n g c o m p a r i n gt h e mw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t s ， t h e yh a dt h es a m er u l e ，w h i c hp r o v e dt h ev a l i d i t yo ff u n d a m e n t a lr e s e a r c h k e yw o r d s ： s c r a p e rc o n v e y e r d y n a m i cb e h a v i o rs h a p ef u n c t i o n n u m e r a ls i m u l a t i o n c o n t r o lt h e o r y 辽宁工稃技术大学博士学位论文 1 绪论 1 1 刮板输送机的结构与工作原理 图1 1 刮板输送机布置图 f i g 1 1l a y o u td r a w i n go f s c r a p e rc o n v e y e r 刮板输送机是以牵引构件和溜槽 为支承机构的连续运输机械，如图1 1 所示，其组成部分及工作原理为：机头 部机头架，传动装置和链轮组件等部件 组成，机头架的作用除卸载外，还对传 动装置、链轮组件、盲轴和其它附属件 等起着支承和装配的作用。传动装置包 括电动机、减速器和液力联轴器。电动 机均采用三相异步防爆电动机，减速器 1 一电缆槽2 一挡煤板3 一导向装置 4 一千斤顶连接孔5 一中部槽 6 一刮板链7 一刮板8 一铲煤板 图1 2 刮板输送机横断面图 f i g 1 - 2t r a n s e c td r a w i n go f s c r a p e rc o n v e y e r 辽宁工稃技术大学博士学位论文 已大量采用大功率行星减速器。当前多数刮板输送机采用液力偶合器作为联轴器。 现在双速电机的应用也越来越广，与之配套的是弹性联轴节。链轮组件多由牵引链 轮和盲轴组成。中间部主要由溜槽和刮板链组成，当前刮板输送机的溜槽包括中部 槽( 中部槽及其组件如图1 2 所示) 、过渡槽、开口槽；刮板链由刮板、圆环链和联 接环等组成，其结构形式可分为单链、双边链和双中链几种形式。 1 2 现状及发展趋势 综采技术是集采煤、支护、运输及整体推进等作业为一体的机械化生产技术， 国外通称为f u l lm e c h a n i z a t i o no fl o n gw a l lf a c e 。在近半个世纪的发展历程中，它 已经成为当今世界最先进的井下开采技术。近几年在新技术推动下，正发生着变革 性的进步，目前全自动化无人采煤工作面的综采技术是美、德等国科研工作的重要 内容。综采设备是综采技术的核心部分，工作面刮板输送机是关键的综采设备之一。 采煤工作面刮板输送机是1 9 4 0 年德国人发明的。5 0 年代中期，与工作面刮板 输送机配套的液压支架在英国研制成功后，与滚筒采煤机一起，形成采、支、运三 机配套的综采设备。由于工作面刮板输送机圆环链条和中部槽的可弯曲性，使输送 机能适应底板起伏变化，可整体弯曲前移，因而成为不可替代的综采输送设备，并 发展至今。 工作面刮板输送机自问世以来，经历了多种型式的发展和变化。其中刮板链条 型式经历了单中链式一边双链式一三链式一中双链式或单中链式( 转载机为准双边 链式) 及“圆环链式一紧凑链式”的发展历程。自动调链装置是新型智能化输送机 的又一个主要特征。该装置是1 9 8 8 年德国d d m 研究中心首先研制成功的，称为 a v k 刮板输送机自动紧链装置( a u t o m a t i s c h ev o r s p a n n u n g s r e g e l u n g f u r r e t t e n k r a n t z e rf o r d e r e r ) 。之后美国j o y 公司也研制出了a c t s 装置( a u t o m a t i c c h a i nt e n s i o n i n gs y s t e m ) 。两种装置原理相同，均是通过伸缩机尾达到自动调整链 条松紧的目的。a v k 装置和a c t s 自动调链装置是在机头底链和机尾上链处，分别 设一种传感器，可测量和识别链条松弛、过紧、正常，三种状态，通过p l c 可编程 传感控制装置( p r o g r a m m a b l es e n s o r c o n t r o l l e r ) 的确认和分析，并与状态传感器( 链 速、油压、油缸位置) 输入信号比较，做出判断后给电磁阀发出指令，控制机尾油 缸的伸缩，达到自动调整链条松紧的目的，解决了大功率输送机链条调整困难的问 2 辽宁工稃技术大学博士学位论文 题，避免了机头悬链和机尾堆链及链条过紧而造成的事故，使链条张力处于合理状 态；起动技术是大功率刮板输送机制造的关键，目前我国常用的驱动装置采用单速 电机与限矩型液力偶合器配合驱动及双速电机驱动两种类型；对刮板输送工况监测 是高效综采设备安全生产的技术保障，目前国外已经将此技术应用与生产实际。 新型智能化刮板输送机代表了当今世界工作面刮板输送机的最高水平，其主要 特征归纳为：大型化、智能化、高可靠性及元部件标准化。1 9 8 8 年4 月，在澳大 利亚“二十一世纪高产采煤系统讨论会”上，提出了实现长壁综采工作面日产3 4 万吨的目标，同时对工作面刮板输送机主要参数进行了探讨。现在世界先进水平工 作面都达到或超过了上述目标。如2 0 0 0 年2 月，我国神华集团大柳塔矿综采面采 用j o y 公司设备，最高日产达3 7 万吨。近几年综采技术的发展速度超过了专家预 料，将继续向着高产、高效、自动化的方向发展。工作面刮板输送机必然随着综采 技术的发展而继续发展，其发展趋势是： ( 1 ) 向大型化发展。装机功率为2 x 8 0 0k w h 4 x 8 0 0 k w ，输送能力为2 5 0 0 讹 4 5 0 0t h ，输送距离为3 0 0 3 5 0 m ，链条规格为直径4 8 5 2 m m ，溜槽内宽为1 0 0 0 1 5 0 0 m m 。 ( 2 ) 向高耐久性及可靠性方向发展。 ( 3 ) 向智能化自动化方向发展。采用c s t 可控驱动装置和a c t s 自动调链装置 及工况监测系统等。 ( 4 ) 向标淮化、规范化方向发展。输送机零部件普遍标准化，规范化，保证设计、 加工质量和水平。 ( 5 ) r - 3 高适应性发展，适应不同综采工艺的工作面刮板输送机将会继续发展，如 综放工作面刮板输送机、刨煤机工作面用输送机。 1 3 我国工作面刮板输送机总体水平与国外的差距 我国第1 套综采工作面刮板输送机于1 9 7 4 年在张家口煤机厂研制成功，拉开 了我国自行研制综采工作面刮板输送机的序幕，此后在自主研发的基础上对引进的 设备进行消化吸收，研制出了整体铸焊式溜槽输送机s g z 8 8 0 8 0 0 ，使我国的工作 面刮板输送机研制水平迈上了一个新的台阶。但与国外先进水平相比，我国的工作 面刮板输送机制造水平尚存在一定的距离。 辽宁工程技术大学博士学位论文 1 性能和结构方面： 1 ) 装机功率小，输送能力低，运输距离短。国产工作面刮板输送机最大装机功 率为3 7 0 0 k w ，输送能力为2 2 0 0 t h ，输送距离为2 5 0m 。主要特征参数比国外 先进水平的同类参数小1 3 左右。 2 ) 耐久性差，可靠性低。我国齿轮设备耐久性试验为1 2 0 0h ，可靠性较低，国 外齿轮耐久性试验达1 5 0 0h 2 0 0 0h 以上，国外输送机事故率小于3 。表1 1 和 表1 2 分别是国内外工作面刮板输送机的主要技术特征。 2 加工和材质方面： 加工手段落后，8 0 年代后期，我国煤机行业进口了一些高精度、高效率的加工 设备，使部分冷加工技术水平有所提高。原材料、基础元件品种少，质量差。 表1 1 我国新型工作面刮板输送机技术特征 t a b l e1 - 1t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f n e wt y p ew o r k i n gs u r f a c es c r a p e rc o n v e y e ri no u rc o u n t r y 输送能力功率长度 链条d x t 中部槽l x b h 型号 ，( t x h 1 ) k wm ( r a m x m m )( m m m m m l t n 、 s g z l 2 0 0 1 4 0 02 0 0 02 7 0 03 0 53 8 x1 3 71 5 0 0 l2 0 0 3 5 5 s g z l 0 洲1 0 5 02 2 0 02 5 2 52 5 03 4 l2 61 5 0 0 i0 0 0 3 2 0 s g z 9 6 0 7 5 01 8 0 02 3 7 52 5 03 4x 12 61 5 0 0 x 9 6 0 3 2 0 表! - 2 国外新型工作面刮板输送机技术特征 1 捌e1 - 2t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f n e ww o r k i n gs u r f a c es c r a p e rc o n v e y e ra b r o a d 输送能力功率长度链条d x t中部槽l b h 型号特征 ( t h k w，m ( m m x m m lm m r a m t a r a ) p f 4 ( 德国) 4 5 0 03 x 7 5 03 5 04 2 1 4 61 7 5 0 1 3 3 2 3 3 5c s t 可控驱动 p f 5 ( 德国 4 5 0 03 8 5 54 5 04 8 x 1 4 6 1 7 5 0 1 3 4 2 3 8 5 装置a c t s 自 j o y ( 美国， 4 5 0 0 3 1 0 0 0 4 3 05 2 1 4 6 2 0 0 0 x1 2 0 0 x 4 1 0动调链装置 3 自动化水平方面： 与国外先进水平相比，我国的工作面刮板输送机制造水平在自动化、智能化方 面存在着较大差距。目前工作面刮板输送机的装机功率己经达到4 8 0 0 k w ， 刮板输送机的起动问题、功率平衡问题、过载保护、工况监控和链条张力调节 问题日益突出。为此国外公司研制出了各种可控驱动装置和自动调链装置。 4 设计和试验方面： 1 ) 设计手段落后，不能适应现代设计需要。我国有关单位目前仅采用c a d 或 a u t o c a d 绘图。 国外普遍采用现代化设计法，可实时进行三维动态仿真和有限元受力分析等， 4 辽宁工程技术大学博士学位论文 满足设计需要。 2 ) 标淮化、规范化水平低，基础性工作差。 3 ) 我国刮板输送机试验和检测设备，能力不足，试验和检测技术手段落后。 5 科学研究方面： 我国在刮板输送机基础研究、实验手段、配套设备联动控制的技术研究方面投 入不足，尚没有完善的成套实验台及检测分析系统。 1 4 选题的意义及国内外研究现状 由于刮板输送机的结构和工作环境决定了刮板输送机具有突出的动态特性，无 论是与滚筒采煤机还是与刨煤机配套的刮板输送机其输送的货载量是在很大范围 内变化的，有时是空载状态，有时是满载甚至是超载状态下运行；实际工作中刮板 输送机上的货载与刮板运行速度不一致，导致刮板穿越物料运行，使刮板和运输的 物料处在非稳定不同步的状态，这就进一步增加了运行阻力；刮板输送机常常是在 满载状态下启动或停机( 制动) 或制动后再启动，这种工况会产生非常大的冲击； 刮板链条的移动是靠驱动链轮有限齿数与链环啮合传动动力实现的，这种驱动过程 不可避免地会产生冲击，而冲击扰动又会影响整个输送机的运行；当煤壁出现片帮 或具有大块物料时会使刮板输送机上的载荷突变甚至发生卡链现象，这种现象会在 整个系统中产生冲击，严重时链条断裂；目前重型刮板输送机都采用头尾双驱动方 式，一些因素会导致双驱动系统功率严重失衡；刮板输送机链条的力学性质是非线 性、中部槽具有弹性或间隙以及转角等。上述诸多因素都在不同程度地影响刮板输 送机的动力特性，可以说刮板输送机具有时变的、耦合的、非线性动力特征，准确 的预测刮板输送机在各种工况下的动态特性是设计大功率刮板输送机的理论基础， 又能为监测系统提供技术要求和技术支持，这项研究既具有理论意义又具有应用价 值。国内外一些学者对这个问题已经进行了一些研究工作，并取得了重要的研究成 果。例如：前苏联莫斯科矿业学院对刮板输送机在运行中的振动问题用波动理论进 行研究，提出了在教科书中应用的理论成果；俄罗斯人m a x a p o b m h 博士对矿用 刮板输送机驱动装置的振动特性进行研究，证明了刮板输送机的振动具有非线性特 征，提出了降低振动危险的方法和提高驱动装置可靠性的建议；英国人j a i n 库里 用线弹性有限元模型对刮板输送机的动态特性进行了数字仿真，但建立的模型最高 辽宁工稃技术大学博士学位论文 能分析8 个节点；波兰人林玛罗安高雷普斯基对刮板输送机链条断裂时系统的动态 特性进行了研究，并对卡链过程也进行了分析，证明了卡链位置对冲击的影响； d i e t e rl o h n i n g 等人对刮板输送机运行阻力进行了深入研究并进行了实测，为工程 设计提供了重要的技术数据；g t r o l dk r o g e r 和p e t e rb r y c h t a 研究了刨煤机工作面 用刮板输送机工况监控问题，并对系统进行了动态测试；m a r i a nd o l i p s k i 和e r y k r e m i o r z 对刮板输送机的链条自动张紧系统进行了研究，构造了力学和数学模型， 并研究了油缸伸缩速度对系统稳定性的影响；波兰人d o l i p s k i m 对带有液力联轴器 的刮板输送机的起动特性进行过试验研究，实验中测试了传动装置的动载荷以及电 动机电源电压降，证明液力联轴器优于弹性联轴器；s i k o r a w 对高效刮板输送机传 动装置负荷不均匀性进行研究，提出了对驱动装置进行功率平衡的必要性； d o l i p s k i m 还对刮板输送机链条张力及应力进行分析和解释，他认为驱动装置起动 的平稳性是影响链条张力的关键，并于9 3 年提出对刮板输送机进行动力学负荷验 算的方法；俄国人k a t p i j q a h 对工作刮板输送机链条张力与横向推移过程联系进 行研究，认为支架横向推移对链条张力有很大影响；d o l i p s k i m 还对刮板输送机溜 槽间的亚铃型链接销进行传动载荷研究；捷克、印度等国家的一些学者也对刮板输 送机的动力学问题进行过研究，其结论和研究方法与德国人基本一致。我国从事这 方面研究的有：王垄用波动理论对s g w - 2 5 0 及s g 、- 1 5 0 刮板输送机进行研究，导 出了共振速度及共振长度的计算式；中国矿业大学朱平等人对刮板输送机减速器的 动态特性进行了研究；张忠国对双速电机驱动刮板输送机的驱动系统性能进行研 究，提出了改善驱动性能的三种方案；王腾于1 9 9 8 年对刮板输送机负荷分配问题 进行了深入的分析，对链条节距、电动机特性对功率分配的影响进行了研究；管荣 根曾对刮板输送机的物料运移条件及参数进行优化；山西矿业学院王坤对圆环链刚 度进行研究；方佳雨教授对软启动技术在刮板输送机上应用进行过研究，认为具有 降低链条动张力，缩短起动时间，减小城市电网冲击等一系列优点；樊运平对影响 圆环链与链轮啮合传动效率的因素进行过分析，提出了影响传动效率的主要原因； 西安科技学院程安宁教授对圆环链接触应力进行过分析计算；张家口煤机厂王跃 清、田莹对圆环链经过驱动链轮时的力学特性进行分析，建立了力学模型和计算方 法；煤炭科学研究总院太原分院苏阜明对圆环链与链轮啮合特性进行了实验分析研 究，得出了一些有实用价值的结论；武汉食品工业学院平海用波动理论对刮板输送 机振动载荷进行研究；提出了用缓冲和润滑的办法可有效降低张力；中国矿业大学 6 辽宁工稃技术大学博士学位论文 钱济国用模态分析技术对刮板输送机减速器的动态特性进行过研究，提出了分析的 技术手段和方法；太原理工大学杨秀芳硕士用波动理论研究了刮板输送机的动态特 性；张家口煤机厂总工程师付晨对刮板输送机的设计理论与实践进行过深入的研 究，他对刮板输送机与支架配套及推移过程的力学问题进行研究时将三弯矩方程用 于研究推溜力的计算，同时还详细的研究了圆环链与链轮啮合过程并进行了力学分 析，推导出了不同啮合方式链条牵引力的传递公式，他还对刮板推移物料的过程进 行理论研究，得出了很有价值的结论。我校已有6 名硕士研究生从事过这方面的研 究工作，现正在建造刨煤机系统成套设备的动力学实验台。这些研究工作将有助于 开发更高可靠性、高自动化与智能化的刮板输送机系统。 尽管自第一台刮板输送机问世6 0 余年来的研究工作在不断进行着，但就刮板 输送机的动力学问题的研究的深度不够，存在的问题有： 1 缺乏系统的理论和实验研究方法与手段，到目前为止尚无一套比较完整的可 用于指导工程设计的理论和方法。 2 在研究的具体细节上忽略了刮板输送机的振动问题和工作特点。如很多学者 用波动理论研究刮板输送机的振动问题，但尚未有人考虑驱动系统性能差异，链条 节距误差( 或链条半径误差) 对振动的影响；在用有限元法研究时多数是用线性振 动理论建立模型和振动方程，实际上刮板输送机溜槽也会产生振动，有时( 特别是 调试阶段) 溜槽问存在间隙，有多少物料参入振动与刮板链的振动速度，推力以及 物料的特性有关，有时刮板会产生偏转。这些因素都会影响输送机的动力学特性， 目前的研究均未考虑这些因素。 3 在研究方法上是互相独立的，没有将不同工况和条件集于一个分析理论当 中，因而无法比较各种因素的影响程度。比如在仿真程序设计中如能将起动、制动、 卡链、断链、多边形效应以及结构误差等都考虑进去，分别研究不同工况或组合研 究几种情况的动力特性，这样才能更符合实际。 4 对输送机控制理论研究不够，尽管已有一些可控起动或软起动系统以及预紧 力的调节系统，但对刮板输送机来讲，哪种起动方式更好，系统参数应如何配置才 能产生最小振动，预紧力的控制系统如何实现智能化和自动化等都是需要深入研究 的理论问题。 5 对刮板输送机的载荷谱的分析和实测是研究刮板输送机疲劳寿命的关键，目 前国内尚无这种测试分析仪器。 7 辽宁工程技术大学博士学位论文 6 对刮板输送机工况的自动化与智能化监控方面还有很多工作要做。实时监控 与保护系统的开发是大功率高可靠性刮板输送机的关键，研发这样的系统也需要对 其动态特性进行深入的分析。 7 工作面刮板输送机与液压支架、采煤机，破碎机三机一架的配套设计问题也 是目前尚未很好解决的；如何实现各部分之间的协调设计，实现最优的工作配合。 8 刮板输送机各零部件的强度分析、寿命计算，优化设计、抗磨损、腐蚀等也 是目前应当进一步研究的问题。 1 5 本文主要研究内容 本文是在张家口煤矿机械有限公司的“刮板输送机链传动系统的动态特性研 究”与“刮板输送机三维造型与动力仿真研究”项目资助下完成的，主要研究内容 如下： 1 ) 基于刮板输送机工况而建立动力学的普遍方程，确定初值条件与边界条件， 研究在特定工况下方程的解析解。 2 ) 用有限元法研究具有时变的、非线性动力耦合特征的刮板输送机动力学模 型及数学模型；研究刮板输送机驱动系统的动力模型；分析刮板推移物料的力学问 题和合理刮板间距的确定；构造基于物料粘弹塑性的输送机动力学模型；研究链条 的弹性系数、刮板链条在无载侧运行阻力及溜槽运行阻力等相关问题。 3 ) 研究刮板输送机动力特性仿真模型的构造，描述输送机线路特征的形态函 数的构造；研究输送机在起动工况、停机工况、停机再起动工况、卡链工况、多边 形效应及链条与链轮尺寸误差等工况下的动力学数值仿真问题。 4 ) 研究刮板输送机动力学控制理论问题。主要包括起制动过程特性优化，无 共振设计和最优化设计理论、链条自动张紧系统设计及动态优化控制理论。 5 ) 对刮板输送机的动态特性进行实测，修改和完善理论。 8 辽宁工稃技术大学博士学位论文 2 刮板输送机静力学分析 2 1 输送能力的计算 刮板输送机输送能力： q = 3 6 q y = 3 6 0 0 a v p c ( 2 1 ) 式中：吼一输送机每米长度上货载质量，k e d m ；v 一刮板链运行速度，m s ； a 一输送机溜槽装载断面面积，m 2 ；p 一散体密度，t i m 3 ；缈一输送机溜槽装满 系数，0 6 5 0 9 。 当货载沿溜槽均匀分 布，连续不断地匀速运行， 通常用上式计算的刮板输送 机输送能力。但是实际情况 是达不到这个数值的，对澳 大利亚三个长壁工作面的实 验测试，分析整理形成了新 的计算刮板输送机过煤能力 的货载断面，图2 一l f 4 7 】即是 此货载断面，图中的百分数 图2 一l 物料移动速度分布 f i g 2 1s p e e dd i s t r i b u t i o no f m a t e r i a lm o v i n g 为煤运行速度相对刮板链速的百分比。这个货载断面是2 5 0 r a m 的块煤与粉煤的混 装取自十节中部槽测得的。 形成图2 一l 货载断面的前提条件：断面左侧机道上堆积着相应高度的煤，右侧 有足够高的档板，溜槽中的煤在刮板的推动下运行受到两边限制不能外溢。刮板前 面中板上的煤在刮板直接推动下运行，刮板上面的煤由图中a a 面上煤层间的摩 擦力带动，克服来自静止不动的煤或档板摩擦阻力而运行。由于被运送的煤是松散 的固体，因而a a 面上的主动力是以煤层间内摩擦方式传递到运动界面上，并克 服那里的摩擦阻力。这样就形成了图2 一l 所示的底部速度大，上部速度小，沿高 度方向有速度梯度的运行煤流。 9 辽宁工程技术大学博士学位论文 2 2 运行阻力计算 设计输送机时应该考虑到下列各种负荷情况； 空载运行、最大负荷、链条预紧力、由于波形底面和输送机弯曲产生的附加负 荷。 在实际使用过程中刮板输送机的铺设往往不是水平的，而是有一定的角度的。 输送机运行阻力主要由有载侧和无载侧运行阻力构成。所谓有载侧是指输送机的刮 板链绕过机尾到达机头输送货载的部分，无载侧是指刮板链从机头返回机尾非承载 部分。在输送机工作过程中，不同位置的刮板链的张力是变化的。 刮板输送机工作中要克服以下阻力：货载及刮板链在上溜槽上的移动阻力，倾 斜运输时负载及刮板链的自重分力，刮板链在无载侧上的移动阻力，刮板链绕过机 头、机尾链轮时的弯曲阻力，传动装置阻力，输送机存在弯曲时的弯曲附加阻力。 分析最大负载情况需要计算输送机的链条的张力，链条的张力与电机的布置、 阻力系数、铺设倾角有关，其张力分布随其位置的不同而不同。 有载侧阻力： 降二o = ( q l + q ) g