摘要： 【目的】推進(jìn)刮板輸送機(jī)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(jìn)行刮板輸送機(jī)相關(guān)試驗(yàn)、 實(shí)驗(yàn)室受客觀條件限制無法復(fù)現(xiàn)相關(guān)工作條件等問題。 【方法】采用仿真試驗(yàn)的方法模擬井下復(fù)雜的工作條件。 通過刮板輸送機(jī)1∶3試驗(yàn)平臺(tái)， 從試驗(yàn)與理論的角度驗(yàn)證刮板輸送機(jī)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(duì)刮板輸送機(jī)輸運(yùn)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(shì)。 【結(jié)果】刮板輸送機(jī)的工作傾角為14°～-21°時(shí)， 輸運(yùn)效率逐漸增加至飽和， 工作傾角為-21°時(shí)質(zhì)量流量為436.6 kg/s； 走向傾角為-10°～5°時(shí)， 輸運(yùn)效率逐漸增加至飽和， 走向傾角為5°時(shí)質(zhì)量流量為360.7 kg/s。 不同工作傾角下， 刮板輸送機(jī)2條鏈條張力呈上山增大、 下山減小的變化趨勢(shì)； 當(dāng)走向傾角為-10°～10°時(shí)， 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(shí)， 鏈環(huán)的疲勞壽命呈現(xiàn)指數(shù)型上升趨勢(shì)； 走向傾角為-10°～10°時(shí)， 鏈1中鏈環(huán)的疲勞壽命呈現(xiàn)指數(shù)型下降趨勢(shì)， 鏈2中鏈環(huán)的疲勞壽命為先下降后上升的變化趨勢(shì)。 【結(jié)論】利用仿真試驗(yàn)?zāi)軌蛴行Ы鉀Q刮板輸送機(jī)相關(guān)試驗(yàn)難以開展的問題； 利用驗(yàn)證后的刮板輸送機(jī)仿真模型， 可以準(zhǔn)確模擬刮板輸送機(jī)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(jī)之間的相互作用。

關(guān)鍵詞： 刮板輸送機(jī)； 輸運(yùn)效率； 鏈條張力； 疲勞壽命

中圖分類號(hào)： TD528； TH227； TB44文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)輸運(yùn)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(jī)是煤礦綜合機(jī)械化采煤工作面的主要工作設(shè)備之一。為響應(yīng)綜采智能化發(fā)展，刮板輸送機(jī)必然向長運(yùn)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(jìn)行相關(guān)研究，而實(shí)驗(yàn)室受限于客觀條件等因素又無法復(fù)現(xiàn)相關(guān)工作條件，因此仿真試驗(yàn)憑借低成本、 高安全性、 可控試驗(yàn)條件等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于刮板輸送機(jī)等煤機(jī)裝備的相關(guān)研究［2-4］。

學(xué)者們將離散元法（discrete element method，DEM）與多體動(dòng)力學(xué)（multi-body dynamics，MBD）相結(jié)合，在WALL文件實(shí)現(xiàn)剛體信息與煤料信息實(shí)時(shí)共享的基礎(chǔ)上研究煤機(jī)裝備的運(yùn)動(dòng)學(xué)、 動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、 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(jī)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(dòng)力學(xué)特性。王學(xué)文等［6］基于磨粒磨損機(jī)DEM-MBD雙向耦合模型，對(duì)不同仿生結(jié)構(gòu)的中板進(jìn)行了受力分析與磨損深度分析。刮板輸送機(jī)輸運(yùn)煤料時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)特性會(huì)受煤料影響［7-8］，因此學(xué)者們基于刮板輸送機(jī)DEM-MBD耦合模型，真實(shí)模擬刮板輸送機(jī)輸運(yùn)煤料的過程，進(jìn)一步分析其動(dòng)力學(xué)等特性。Ma等［9］基于刮板輸送機(jī)耦合模型，建立中部槽耦合磨損模型，分析了刮板的動(dòng)力學(xué)特性及中部槽的磨損特性。Jiang等［10］建立簡單的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)耦合模型，研究了不同條件下煤塊對(duì)中部槽的沖擊以及鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。王學(xué)文等［11］則在刮板輸送機(jī)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(jī)剛散耦合效應(yīng)。

刮板輸送機(jī)主要任務(wù)為輸運(yùn)煤料，但在實(shí)際生產(chǎn)工作中，刮板輸送機(jī)輸運(yùn)效率與鏈環(huán)張力均會(huì)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(dǎo)致鏈環(huán)故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全與效率［12］。Ryszard等［13］利用疲勞試驗(yàn)機(jī)，研究了鏈環(huán)疲勞斷裂過程與斷裂機(jī)制，發(fā)現(xiàn)鏈環(huán)在相鄰鏈環(huán)的沖擊張力下會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。毛君等［14-15］通過張力應(yīng)變測試裝置，采集刮板輸送機(jī)空載試驗(yàn)中鏈條張力數(shù)據(jù)，并對(duì)平環(huán)進(jìn)行了有限元分析與疲勞壽命預(yù)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(duì)鏈環(huán)的壽命進(jìn)行了預(yù)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(jī)載荷對(duì)礦用V型鎖緊鏈環(huán)的影響。

目前關(guān)于刮板輸送機(jī)的仿真研究中，對(duì)于刮板輸送機(jī)耦合仿真模型的可靠性有待進(jìn)一步驗(yàn)證，而針對(duì)刮板輸送機(jī)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(duì)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的影響。本研究中從試驗(yàn)以及理論的角度驗(yàn)證了刮板輸送機(jī)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(jī)輸運(yùn)效率、鏈條張力以及鏈環(huán)的疲勞壽命變化趨勢(shì)，為后續(xù)開展不同地形工況下刮板輸送機(jī)輸運(yùn)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(jìn)提供參考。

1 耦合模型構(gòu)建與驗(yàn)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(jī)模型構(gòu)建

圖1所示為刮板輸送機(jī)模型。本研究中選用SGZ1000-2×1200型刮板輸送機(jī)為研究對(duì)象，以輸運(yùn)方向?yàn)閥方向，推進(jìn)方向?yàn)閤方向，利用Uunigraphics NX12.0 （UG）構(gòu)建與真實(shí)樣機(jī)1∶3的刮板輸送機(jī)簡化模型，如圖1（a）所示。為提高仿真效率與精度，動(dòng)力學(xué)簡化模型僅包括鏈輪、中部槽、刮板和鏈條，

同時(shí)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(yùn)動(dòng)副與接觸關(guān)系，接觸系數(shù)參考文獻(xiàn)［18］設(shè)定。為驗(yàn)證刮板輸送機(jī)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(jī)試驗(yàn)臺(tái)，如圖1（b）所示。根據(jù)模型與真實(shí)樣機(jī)比例及相似理論計(jì)算其相似系數(shù)［19］，選擇基準(zhǔn)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(jī)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(duì)破碎后不規(guī)則煤樣顆粒形狀進(jìn)行觀察與統(tǒng)計(jì)，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(jī)配套的采煤機(jī)型號(hào)為MG500-1200-WD，將平均采高高度折算為煤顆粒下降速度，其3個(gè)方向的初速度分別為x方向?yàn)?0.22 m/s， y方向?yàn)?0.123 m/s， z方向?yàn)?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(xiàn)［18］中標(biāo)定所得，見表2所示。

1.4耦合模型驗(yàn)證

1.4.1 刮板鏈速與鏈輪轉(zhuǎn)矩

圖3所示為仿真模型驗(yàn)證曲線。將速度與時(shí)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(yīng)影響［22］， 平環(huán)與刮板在和鏈輪發(fā)生嚙合時(shí)， 刮板鏈速度處于先增后減的波動(dòng)狀態(tài)， 刮板從鏈輪1運(yùn)行至鏈輪2共用時(shí)3.703 s， 此刮板之前的平環(huán)及刮板共與鏈輪2嚙合波動(dòng)23次， 平均波動(dòng)周期為0.161 s， 理論值波動(dòng)周期通過式（1）計(jì)算， 結(jié)果為0.164 s， 二者誤差僅為1.83%， 符合刮板輸送機(jī)運(yùn)行規(guī)律， 驗(yàn)證了空載模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。

t=L1v ，（1）

式中： t為波動(dòng)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(yùn)載試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行過程中，通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器采集轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)，并對(duì)仿真試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，如圖3（b）所示。從圖中可以看到，真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)平滑后結(jié)果趨勢(shì)基本一致，對(duì)真實(shí)試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)取均值進(jìn)行對(duì)比，真實(shí)試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩均值為49.948 N·m，仿真試驗(yàn)均值為54.941 N·m，二者誤差為10.00%，驗(yàn)證了耦合模型的可靠性。

1.4.2 相似理論驗(yàn)證

本研究中側(cè)重于鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的研究，因此通過運(yùn)行阻力公式［23］計(jì)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(dá)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(yùn)行阻力； ql為單位長度刮板鏈質(zhì)量； L2為刮板輸送機(jī)輸運(yùn)長度； g為重力加速度； ω1為刮板鏈在槽內(nèi)運(yùn)行的阻力系數(shù)； β為工作傾角； Fzh為有載側(cè)運(yùn)行阻力； qm為單位長度中部槽的裝煤量；ω為煤在槽內(nèi)運(yùn)行的阻力系數(shù)。

選取刮板輸送機(jī)不同位置點(diǎn)為研究對(duì)象，在穩(wěn)定運(yùn)行階段分別記錄5個(gè)位置點(diǎn)經(jīng)過有載側(cè)階段以及無載側(cè)階段時(shí)的鏈條張力。為驗(yàn)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4中藍(lán)色實(shí)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(jī)輸運(yùn)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(jī)工作環(huán)境惡劣，在輸運(yùn)煤料時(shí)會(huì)受地形、煤質(zhì)等因素影響呈現(xiàn)出不同的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。圖5所示為刮板輸送機(jī)工作示意圖。針對(duì)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(jī)輸運(yùn)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(shì)，為提高刮板輸送機(jī)輸運(yùn)效率及延長鏈環(huán)壽命提供一定的參考。

定義無傾斜輸運(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(fù)號(hào)代表傾斜方向：工作傾角為正，代表上山工況，為負(fù)代表下山工況；走向傾角為正，代表刮板輸送機(jī)向擋板側(cè)傾斜，為負(fù)代表向煤壁側(cè)傾斜。

2 刮板輸送機(jī)輸運(yùn)效率與鏈條張力

刮板輸送機(jī)在輸運(yùn)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(shí)間內(nèi)通過的煤料質(zhì)量，以此衡量刮板輸送機(jī)的輸運(yùn)效率，煤料的質(zhì)量流率越大則刮板輸送機(jī)輸運(yùn)效率越高。

2.1不同工作傾角

2.1.1 輸運(yùn)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(huì)影響刮板輸送機(jī)輸運(yùn)煤料的輸運(yùn)效率，從上山工況S14°到下山工況X-28°，輸運(yùn)效率依次遞增。同時(shí)可看出受工作傾角影響，從工況S14°到工況X-28°，煤料落點(diǎn)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(shì)。

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(lán)色煤料為沿著輸運(yùn)方向運(yùn)行的煤料，為有效輸運(yùn)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(shí)刮板輸送機(jī)輸運(yùn)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(yùn)效率逐漸增加，質(zhì)量流量增加的部分為滯留的煤料。當(dāng)工作傾角為-21°時(shí)，刮板輸送機(jī)幾乎不存在滯留的煤料，雖然受隨機(jī)因素影響存在落出計(jì)算區(qū)域的煤料，但在1.5 s后的穩(wěn)定輸運(yùn)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(jìn)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(shí)間為2～5 s）鏈環(huán)張力小幅度增大。原因?yàn)楣rS7°、 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(dòng)，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(jī)結(jié)構(gòu)影響，堆積過程中存在部分煤料滑動(dòng)落出計(jì)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(yùn)方向（-y方向）滑動(dòng)，運(yùn)行阻力大幅減小，故鏈條張力下降幅度較大。在時(shí)間為1.5～2 s時(shí)，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(yùn)動(dòng)，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(shí)間為6 s時(shí)，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(shí)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(yīng)與有載側(cè)階段內(nèi)類似，以不同運(yùn)行阻力為斜率呈上升趨勢(shì)，上山工況中運(yùn)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(jì)算出不同工作傾角下刮板輸送機(jī)無載側(cè)運(yùn)行阻力，結(jié)果如表4所示。

2.2不同走向傾角

2.2.1 輸運(yùn)效率

圖9為不同走向傾角下刮板輸送機(jī)輸運(yùn)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(dāng)傾角為負(fù)時(shí)，刮板輸送機(jī)輸運(yùn)效率隨著角度的增大而降低，原因?yàn)椴糠置毫匣瑒?dòng)落出中部槽內(nèi)，但當(dāng)傾角為正時(shí)，其輸運(yùn)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(lán)色部分有效輸運(yùn)煤料達(dá)到飽和狀態(tài)，因此當(dāng)傾角達(dá)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(yùn)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(jī)不同位置的輸運(yùn)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(jì)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(shì)，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(duì)稱分布，但實(shí)際上受擋板結(jié)構(gòu)與隨機(jī)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(huì)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(fù)，部分煤料落出計(jì)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(yùn)動(dòng)時(shí)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(duì)運(yùn)行阻力可忽略不計(jì)，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(duì)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(jì)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(dòng)，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(jī)上分布并非完全對(duì)稱。當(dāng)傾角為正時(shí)，工況Q5°與Q10°中，2條鏈之間張力差值逐漸增大，傾角為負(fù)時(shí)，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(duì)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(shí)，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(fù)時(shí)，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(jī)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(duì)應(yīng)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(fù)時(shí)，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(shí)，區(qū)域D中煤料質(zhì)量流量處于增大趨勢(shì)，但圖13中鏈2張力卻隨傾角的增加而減小，其原因?yàn)椋汗伟遢斔蜋C(jī)發(fā)生走向傾斜時(shí)，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(duì)刮板產(chǎn)生的阻力大于區(qū)域D中，導(dǎo)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(shì)。

3 鏈環(huán)疲勞壽命

3.1仿真設(shè)置

刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)零件過多，受計(jì)算機(jī)性能限制，對(duì)相鄰鏈環(huán)的幾何模型進(jìn)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(duì)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(dòng)，設(shè)置接觸對(duì)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(duì)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(yīng)力呈對(duì)稱分布，最大等效應(yīng)力位于鏈環(huán)接觸區(qū)域，最小等效應(yīng)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(yīng)力集中現(xiàn)象。在載荷為400 kN作用下鏈環(huán)等效應(yīng)力最大值為2 139 MPa，與文獻(xiàn)［26］在相同載荷下最大等效應(yīng)力誤差僅為2.77%，鏈環(huán)應(yīng)力分布云圖與文獻(xiàn)［26］在相同載荷下一致，驗(yàn)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(yīng)力在接觸區(qū)域與鏈環(huán)直臂段外側(cè)受壓，應(yīng)力為負(fù)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(yīng)力為正值，最大拉應(yīng)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(yīng)影響，對(duì)鏈環(huán)的應(yīng)力-壽命曲線進(jìn)行修正，采用古德曼法修正平均應(yīng)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(yùn)行阻力，構(gòu)建相應(yīng)的載荷譜，同時(shí)為便于分析比較，所有工況中的刮板輸送機(jī)鋪設(shè)長度均按400 m計(jì)算。

在軟件nCode DesignLife中基于準(zhǔn)靜態(tài)法對(duì)鏈環(huán)進(jìn)行疲勞壽命分析，對(duì)三鏈環(huán)有限元模型加載單位作用力、獲得相應(yīng)靜力學(xué)結(jié)果的基礎(chǔ)上，將模型實(shí)際所受動(dòng)載荷時(shí)間歷程建立對(duì)應(yīng)通道，然后將靜力學(xué)結(jié)果與動(dòng)載荷時(shí)間歷程通過公式（6）進(jìn)行計(jì)算，求出最終時(shí)間歷程應(yīng)力，并預(yù)測零件疲勞壽命。

S（t）=［P（t）Ks+Fs］SFKd ，（6）

式中： S（t）為最終時(shí)間歷程應(yīng)力； P（t）為時(shí)序通道內(nèi)的載荷； Ks為載荷比例系數(shù)，默認(rèn)為1； Fs為載荷的偏移量，默認(rèn)為0； SF為有限元應(yīng)力； Kd為名義化因子，默認(rèn)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(diǎn)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(yīng)力分布區(qū)域一致。 其中鏈環(huán)疲勞壽命最短節(jié)點(diǎn)位于鏈環(huán)的過渡區(qū)域， 疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)循環(huán)次數(shù)為4 184， 刮板輸送機(jī)運(yùn)行1個(gè)周期所需的時(shí)間為449.4 s， 假設(shè)刮板輸送機(jī)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(yīng)力與拉應(yīng)力最大的位置， 而鏈環(huán)疲勞斷裂熱點(diǎn)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(yīng)力的不斷作用下會(huì)逐漸擴(kuò)展， 最終產(chǎn)生疲勞斷裂。 選取過渡區(qū)域內(nèi)的4個(gè)節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象， 節(jié)點(diǎn)編號(hào)分別為165、 179、 9 271、 9 401。 對(duì)過渡區(qū)域4個(gè)節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命取平均值， 進(jìn)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(shì)。 下山工況中， 煤-鋼靜摩擦系數(shù)對(duì)應(yīng)的摩擦角為-21.85°， 當(dāng)工作傾角大于-21.85°時(shí)， 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(dāng)工作傾角為14°～-21°時(shí)， 鏈環(huán)疲勞壽命則呈現(xiàn)指數(shù)型上升趨勢(shì)， 理論情況下當(dāng)工作傾角為21.85°時(shí)， 鏈環(huán)疲勞壽命達(dá)到最大值。 當(dāng)工作傾角為-28°時(shí)（工況X-28°）， 刮板輸送機(jī)無載側(cè)運(yùn)行阻力大幅增加， 大于其有載側(cè)阻力， 導(dǎo)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(shí)， 鏈1中鏈環(huán)的疲勞壽命呈現(xiàn)指數(shù)型縮短趨勢(shì)， 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(shì)， 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(shì)與圖18（b）中鏈環(huán)的疲勞壽命變化趨勢(shì)對(duì)比可知， 在不同走向傾角下， 二者的變化趨勢(shì)相反。 通過圖18（a）、 （b）中壽命變化幅度對(duì)比可知， 走向傾角對(duì)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(huì)影響刮板輸送機(jī)的輸運(yùn)效率。不同工作傾角下，從工況S14°到工況X-21°刮板輸送機(jī)輸運(yùn)效率依次遞增，傾角為-21°時(shí)（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(yùn)效率依次遞增，傾角為5°時(shí)（質(zhì)量流量為360.7 kg/s）飽和；區(qū)域C與區(qū)域D中輸運(yùn)效率隨走向傾角變化呈線性變化趨勢(shì)，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(shì)。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(shì)。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(shí)，鏈1張力隨傾角的增大而增大，鏈2張力則減小，傾角為負(fù)時(shí)，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(yīng)力位于鏈環(huán)接觸區(qū)域，而最大拉應(yīng)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(shí)，鏈環(huán)的疲勞壽命呈指數(shù)型延長趨勢(shì)；走向傾角為-10°～10°時(shí)，鏈1中鏈環(huán)的疲勞壽命呈指數(shù)型縮短趨勢(shì)，鏈2中則為先縮短后延長的變化趨勢(shì)。

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(xiàn)（Author’s Contributions）

張鵬、 麻豪洲、 李博、 董英偉、 王學(xué)文參與了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、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.

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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(zé)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(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，編號(hào)：51875386，52204149，51804207；山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目，編號(hào)：02103021223080，202203021221051。

第一作者簡介：張鵬（1998—），男，碩士生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法。E-mail： 1714166989@qq.com。

通信作者簡介：王學(xué)文（1979—），男，教授，博士，山西省高等學(xué)校優(yōu)秀青年學(xué)術(shù)帶頭人，山西省高等學(xué)?！?31”領(lǐng)軍人才-優(yōu)秀中青年拔尖創(chuàng)新人才，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。E-mail： wxuew@163.com。