刮板输送机是煤矿综合机械化采煤工作面的主要工作设备之一。为响应综采智能化发展,刮板输送机必然向长运距、高可靠性与智能化方向发展[1]。由于研究人员难以在工作环境恶劣的井下进行相关研究,而实验室受限于客观条件等因素又无法复现相关工作条件,因此仿真试验凭借低成本、 高安全性、 可控试验条件等优势,被广泛应用于刮板输送机等煤机装备的相关研究[2-4]。

学者们将离散元法(discrete element method,DEM)与多体动力学(multi-body dynamics,MBD)相结合,在WALL文件实现刚体信息与煤料信息实时共享的基础上研究煤机装备的运动学、 动力学效应、 煤料的离散特性。陈洪月等[5]通过DEM-MBD耦合仿真方法研究了掘锚机在全煤层、含水煤层、 含矸石煤层等不同地形条件下的行驶通过性能与动力学特性。王学文等[6]基于磨粒磨损机DEM-MBD双向耦合模型,对不同仿生结构的中板进行了受力分析与磨损深度分析。刮板输送机输运煤料时链传动系统的振动特性会受煤料影响[7-8],因此学者们基于刮板输送机DEM-MBD耦合模型,真实模拟刮板输送机输运煤料的过程,进一步分析其动力学等特性。Ma等[9]基于刮板输送机耦合模型,建立中部槽耦合磨损模型,分析了刮板的动力学特性及中部槽的磨损特性。Jiang等[10]建立简单的链传动系统耦合模型,研究了不同条件下煤块对中部槽的冲击以及链传动系统的动态特性。王学文等[11]则在刮板输送机耦合模型的基础上,研究了不同工况条件下的刮板输送机刚散耦合效应。

刮板输送机主要任务为输运煤料,但在实际生产工作中,刮板输送机输运效率与链环张力均会受到不同地形条件影响,尤其是链环在低于破断载荷的不断冲击下发生疲劳破坏,导致链环故障频发,严重影响生产安全与效率[12]。Ryszard等[13]利用疲劳试验机,研究了链环疲劳断裂过程与断裂机制,发现链环在相邻链环的冲击张力下会产生疲劳裂纹。毛君等[14-15]通过张力应变测试装置,采集刮板输送机空载试验中链条张力数据,并对平环进行了有限元分析与疲劳寿命预测。张可等[16]模拟分析了链环的接触碰撞过程,并通过Miner线性疲劳累积损伤理论对链环的寿命进行了预测,发现其最短寿命发生在直臂与弯臂的连接处。Zhang等[17]研究了随机载荷对矿用V型锁紧链环的影响。

目前关于刮板输送机的仿真研究中,对于刮板输送机耦合仿真模型的可靠性有待进一步验证,而针对刮板输送机链环疲劳寿命的研究中,工况条件较为单一,未考虑地形条件对链传动系统的影响。本研究中从试验以及理论的角度验证了刮板输送机DEM-MBD耦合模型的可靠性,并以不同地形条件为工况,研究不同工作倾角和不同走向倾角下刮板输送机输运效率、链条张力以及链环的疲劳寿命变化趋势,为后续开展不同地形工况下刮板输送机输运效率与链环疲劳寿命状态监测,链环结构优化和改进提供参考。

1 耦合模型构建与验证

1.1 仪器设备

ZH07-A-1500型转矩转速传感器(北京中航科电测控技术有限公司);ZHK-D型转矩转速测量仪(北京中航科电测控技术有限公司)。

1.2 刮板输送机模型构建

图1所示为刮板输送机模型。本研究中选用SGZ1000-2×1200型刮板输送机为研究对象,以输运方向为y方向,推进方向为x方向,利用Uunigraphics NX12.0 (UG)构建与真实样机1∶3的刮板输送机简化模型,如图1(a)所示。为提高仿真效率与精度,动力学简化模型仅包括链轮、中部槽、刮板和链条,同时添加可供链条回转的底槽,在RecurDyn中建立各零部件之间的运动副与接触关系,接触系数参考文献[18]设定。为验证刮板输送机仿真模型的可靠性,搭建与仿真模型大小为1∶1的刮板输送机试验台,如图1(b)所示。根据模型与真实样机比例及相似理论计算其相似系数[19],选择基准为几何参数L,几何相似系数λd=3;而模型的密度相似系数λρ和重力加速度相似系数λg保持不变,即λρ=1, λg=1。刮板输送机各参数的相似系数见表1所示。

1.3 煤料模型构建

煤颗粒构建如图2所示。对破碎后不规则煤样颗粒形状进行观察与统计,获得扁平状、 类块状、 类锥状3种典型形状的煤颗粒,并采用球形填充方法构造颗粒,不同颗粒的形状与其质量占比如图2(a)所示[20],煤颗粒的粒径分布采取正态分布。

与刮板输送机配套的采煤机型号为MG500-1200-WD,将平均采高高度折算为煤颗粒下降速度,其3个方向的初速度分别为x方向为-0.22 m/s, y方向为-0.123 m/s, z方向为-2.25 m/s。在EDEM中选择Hertz-Mindlin模型(No-slip)[21]作为粒子之间和粒子与刚体之间的接触模型,仿真中涉及的参数设置包括本征参数与接触参数,由文献[18]中标定所得,见表2所示。

1.4 耦合模型验证

1.4.1 刮板链速与链轮转矩

图3所示为仿真模型验证曲线。将速度与时间尺度经相似理论换算后,空载仿真中刮板链速度的曲线如图3(a)所示, 受多边形效应影响[22], 平环与刮板在和链轮发生啮合时, 刮板链速度处于先增后减的波动状态, 刮板从链轮1运行至链轮2共用时3.703 s, 此刮板之前的平环及刮板共与链轮2啮合波动23次, 平均波动周期为0.161 s, 理论值波动周期通过式(1)计算, 结果为0.164 s, 二者误差仅为1.83%, 符合刮板输送机运行规律, 验证了空载模型的运动学特性。

(1)

式中： t为波动周期; L1为2倍链节距, 取值292 mm; v为水平链速,取值1.78 m/s。

在运载试验稳定运行过程中,通过转矩转速传感器采集转矩数据,并对仿真试验所得数据进行平滑处理,如图3(b)所示。从图中可以看到,真实试验结果与仿真试验平滑后结果趋势基本一致,对真实试验与仿真试验取均值进行对比,真实试验转矩均值为49.948 N·m,仿真试验均值为54.941 N·m,二者误差为10.00%,验证了耦合模型的可靠性。

1.4.2 相似理论验证

本研究中侧重于链传动系统的研究,因此通过运行阻力公式[23]计算无载侧阻力(图1(a)中S1—S2)与有载侧(图1(a)中S3—S4)阻力,其原理表达式为

Fk=q1L2g(ω cos β∓sin β),

(2)

Fzh=(qm ω+q1ω1)L2g cos β±(qm+q1)L2g sin β,

(3)

式中： Fk为无载侧运行阻力; ql为单位长度刮板链质量; L2为刮板输送机输运长度; g为重力加速度; ω1为刮板链在槽内运行的阻力系数; β为工作倾角; Fzh为有载侧运行阻力; qm为单位长度中部槽的装煤量;ω为煤在槽内运行的阻力系数。

选取刮板输送机不同位置点为研究对象,在稳定运行阶段分别记录5个位置点经过有载侧阶段以及无载侧阶段时的链条张力。为验证相似理论的可靠性,根据表1所示,将仿真链条阻力乘27倍,换算为原模型链条阻力,并与理论计算结果进行对比,结果如图4所示。

图4中蓝色实线为阻力均值,黑色虚线为误差均值,仿真中无载侧阻力均值为3 788.5 N,与理论值误差均值为12.34%;仿真中有载侧阻力均值为13 547.7 N,误差均值为7.71%,二者均在可接受范围内,证明耦合模型模拟刮板输送机输运煤散料过程与相似理论均具备一定的可靠性。

1.5 不同地形条件工况仿真设定

刮板输送机工作环境恶劣,在输运煤料时会受地形、煤质等因素影响呈现出不同的动力学效应。图5所示为刮板输送机工作示意图。针对不同地形条件,设置不同工作倾角及不同走向倾角,研究刮板输送机输运煤料过程中煤料质量流量、 链条张力以及链环疲劳寿命变化趋势,为提高刮板输送机输运效率及延长链环寿命提供一定的参考。

定义无倾斜输运工况(工作倾角为0°、走向倾角为0°、 颗粒工厂生成煤料质量流量为611.1 kg/s)作为正常工况。改变重力加速度分量实现对不同地形条件(工作倾角和走向倾角)的调节,工况条件设定如表3所示。正负号代表倾斜方向：工作倾角为正,代表上山工况,为负代表下山工况;走向倾角为正,代表刮板输送机向挡板侧倾斜,为负代表向煤壁侧倾斜。

2 刮板输送机输运效率与链条张力

刮板输送机在输运煤料的过程中,在图1(a)中所示的第三节中部槽位置处,设置半径为350 mm的质量流量传感器,将中部槽横截面完全囊括在内,得到不同地形条件下的煤料质量流量,即单位时间内通过的煤料质量,以此衡量刮板输送机的输运效率,煤料的质量流率越大则刮板输送机输运效率越高。

2.1 不同工作倾角

2.1.1 输运效率

不同工作倾角下的煤料质量流量结果如图6所示。从中可以看出,工作倾角的改变会影响刮板输送机输运煤料的输运效率,从上山工况S14°到下山工况X-28°,输运效率依次递增。同时可看出受工作倾角影响,从工况S14°到工况X-28°,煤料落点位置越来越靠近质量流量传感器,因此工况X-28°最先呈现上升趋势。

图7所示为不同工作倾角下的煤料y方向速度云图,其中蓝色煤料为沿着输运方向运行的煤料,为有效输运煤料,而红色煤料的速度基本为0,为滞留的煤料。随着上山工作倾角的增大,红色煤料增多,工况S14°中,铲煤板附近出现速度为0的煤料,此时刮板输送机输运效率最低,而随着下山工作倾角的增大,滞留的煤料越来越少,故输运效率逐渐增加,质量流量增加的部分为滞留的煤料。当工作倾角为-21°时,刮板输送机几乎不存在滞留的煤料,虽然受随机因素影响存在落出计算区域的煤料,但在1.5 s后的稳定输运阶段工况X-28°的质量流量与工况X-21°的基本一致,其均值分别为436.6、 432.9 kg/s,二者误差仅为0.86%。

2.1.2 链条张力

基于不同工作倾角耦合仿真,提取链条张力并进行平滑处理如图8所示。从图8(a)中可以看出,随着上山工作倾角的增大,有载侧阶段(时间为2～5 s)链环张力小幅度增大。原因为工况S7°、 S14°与正常工况相比,煤料堆积高度不增反降(图7(a)、 (b)),顶部煤料在重力分力作用下向颗粒工厂方向(y方向)滑动,在颗粒工厂位置形成一定的堆积,使链条张力增大;但受刮板输送机结构影响,堆积过程中存在部分煤料滑动落出计算区域,因此链条张力增加幅度较小。

从图8(b)中可看出,与上山工况相反,随着下山工作倾角的增大,有载侧阶段链条张力不断减小,下山工况中顶部煤料向输运方向(-y方向)滑动,运行阻力大幅减小,故链条张力下降幅度较大。在时间为1.5～2 s时,为刮板从链轮2啮出过程,上、 下山工况链条张力表现不同,上山工况中,煤料在颗粒工厂位置处堆积并阻碍刮板运动,使得该刮板后的链条松弛而张力减小,而下山工况未形成堆积,链条张力与正常工况基本一致。

从图8(a)、 (b)中可看出,在时间为6 s时,刮板链啮出链轮1,受重力分力方向不同影响,上山工况中无载侧阶段(时间为6～9 s)链条张力随着工作倾角的增大而增大,下山工况中随工作倾角的增大而减小。理论情况下,在6 s之后,无载侧阶段链条张力应与有载侧阶段内类似,以不同运行阻力为斜率呈上升趋势,上山工况中运行阻力随着工作倾角的增大而减小,下山工况则随工作倾角的增大而增大;但由于模型较短难以模拟出该现象,因此利用公式(2),计算出不同工作倾角下刮板输送机无载侧运行阻力,结果如表4所示。

2.2 不同走向倾角

2.2.1 输运效率

图9为不同走向倾角下刮板输送机输运煤料的质量流量,图10为不同走向倾角下煤料y方向速度云图。

从图9中可看出,当倾角为负时,刮板输送机输运效率随着角度的增大而降低,原因为部分煤料滑动落出中部槽内,但当倾角为正时,其输运效率随倾斜角度的增大而逐渐增大。从图10中可以看出,走向倾角越大,挡板附近滞留的煤料越多;但此处煤料的堆积使得蓝色部分有效输运煤料达到饱和状态,因此当倾角达到一定值后煤料的质量流量不再增加。在1.5 s后稳定输运阶段,工况Q10°与工况Q5°的质量流量均值分别为362.6、 360.7 kg/s,误差仅为0.53%。

为精确分析刮板输送机不同位置的输运效率,将刮板靠近挡板一侧区域定义为区域C,将刮板靠近煤壁一侧区域与定义为区域D,如图10(a)中所示。统计区域C与D内煤料质量流量的变化情况,取均值后如图11所示。从图中可以看出,区域C与区域D中质量流量随走向倾角的变化大致呈现出线性变化趋势,区域C的变化速率大于区域D的。值得注意的是,在正常工况中区域C与D中质量流量并不一致,图10(c)中煤料看似呈现对称分布,但实际上受挡板结构与随机性因素的影响,煤料在堆积过程中区域C与区域D通过的煤料会产生一定的差异。

走向倾角为正,煤料在挡板处形成堆积,使得区域C与D的质量流量均增大,二者的差值也逐渐增大;走向倾角为负,部分煤料落出计算区域,区域C与D的质量流量均减小,在工况Q-5°中,区域D中质量流量大于区域C中的,二者相差0.822 kg/s,随倾斜角度的增大,区域D内质量流量始终大于区域C的,且二者差值逐渐增大。

2.2.2 链条张力

刮板在中部槽与底槽内运动时x方向位移受限,受走向倾角影响较小,链条重力x方向的分力相较于对运行阻力可忽略不计,因此仅研究链条有载侧阶段的y方向受力。分别取2条链为研究对象,其中链1为靠近挡板侧链条,链2为靠近煤壁侧链条(图10(a))。利用链条之间的张力差值研究不同走向倾角下链1与链2的张力变化,张力差值计算公式为

Fa=F1, j-F2, j,

(4)

Fb=Fi, j-Fi, 0,

(5)

式中： Fa为不同走向倾角下链1与链2的张力差; Fb为同一链条在不同走向倾角与正常工况下的张力差;i取1或2; j为不同走向倾角。

图12为不同工况下有载侧阶段链1与链2的张力差值曲线。从图中可看出,正常工况中张力差值在0附近波动,说明链1与链2的张力存在差异,这是由于煤料在刮板输送机上分布并非完全对称。当倾角为正时,工况Q5°与Q10°中,2条链之间张力差值逐渐增大,倾角为负时,工况Q-5°与Q-10°中链条张力差值逐渐减小,但变化幅度低于工况Q5°与Q10°。

对式(5)中Fb取均值,得到不同工况下有载侧阶段链条的张力差均值,如图13所示。由图可知,走向倾角为正时,链1张力差均值随倾角的增大而增大,工况Q5°与Q10°张力差均值分别为687.75、2 196.34 N; 走向倾角为负时,链1张力差均值随倾角的增大而减小,工况Q-5°与Q-10°张力差均值分别为-3 303.76、 -4 138.6 N。刮板输送机向任意一侧发生倾斜,链2张力差均值随角度的增大而减小,由小到大排序分别为 Q-5°、 Q-10°、 Q5°、 Q10°,对应数值分别为463.81、 958.43、 2 226.14、 3 015.69 N。

由图11可知,走向倾角为负时,工况Q-5°与Q-10°中区域C与区域D中质量流量均随倾角增大而逐渐减小,因此链1与链2的张力均随倾角的增大而减小,区域D中煤料质量流量变化率小于区域C,使得链2张力变化幅度小于链1。走向倾角为正时,区域D中煤料质量流量处于增大趋势,但图13中链2张力却随倾角的增加而减小,其原因为：刮板输送机发生走向倾斜时,改变了煤料的分布状态,使得中部槽内煤料与链条受力不均。以工况Q10°为例,由于煤料在区域C中堆积,受压缩力较大的红色部分煤料主要集中分布在区域C位置,区域C中煤料对刮板产生的阻力大于区域D中,导致此处刮板发生小幅度偏转,因此2条链上的张力发生反向变化,煤料受力与刮板偏转如图14所示。链1的张力随着倾斜角度的增大而增大,链2的张力则出现减小趋势。

3 链环疲劳寿命

3.1 仿真设置

刮板输送机链传动系统零件过多,受计算机性能限制,对相邻链环的几何模型进行简化[25],在不考虑链环焊缝的基础上,利用UG构建立环与平环在直行段上的接触模型,研究对象为立环。链环尺寸为直径为42 mm, 长度为146 mm,材料为23MnNiCrMo54,具体参数见表5。

三链环有限元模型及边界条件如图15所示。其中平环2只能沿y方向移动,设置接触对模拟相邻链环的接触关系,接触采用摩擦接触,摩擦系数为0.2,接触行为选择对称,算法选择增广拉格朗日算法,法向刚度系数设定为1。

图16所示为三链环有限元结果。由图16(a)可知,链环的等效应力呈对称分布,最大等效应力位于链环接触区域,最小等效应力分布在链环直臂段外侧,链环接触区域、链环圆弧段与直臂段的过渡区域均存在应力集中现象。在载荷为400 kN作用下链环等效应力最大值为2 139 MPa,与文献[26]在相同载荷下最大等效应力误差仅为2.77%,链环应力分布云图与文献[26]在相同载荷下一致,验证了三链环有限元模型设置的可靠性。

从图16(b)可看出,链环应力在接触区域与链环直臂段外侧受压,应力为负值,而在过渡区域、链环直臂段内侧以及圆弧段外侧受拉,应力为正值,最大拉应力出现在过渡区域,最大值为601.46 MPa。

考虑到链环受结构与尺寸效应影响,对链环的应力-寿命曲线进行修正,采用古德曼法修正平均应力,材料存活率设定为90%。为得到不同地形条件下链环的疲劳寿命,在耦合仿真结果上叠加不同工作与走向倾角下的运行阻力,构建相应的载荷谱,同时为便于分析比较,所有工况中的刮板输送机铺设长度均按400 m计算。

在软件nCode DesignLife中基于准静态法对链环进行疲劳寿命分析,对三链环有限元模型加载单位作用力、获得相应静力学结果的基础上,将模型实际所受动载荷时间历程建立对应通道,然后将静力学结果与动载荷时间历程通过公式(6)进行计算,求出最终时间历程应力,并预测零件疲劳寿命。

(6)

式中： S(t)为最终时间历程应力; P(t)为时序通道内的载荷; Ks为载荷比例系数,默认为1; Fs为载荷的偏移量,默认为0; SF为有限元应力; Kd为名义化因子,默认为1。

3.2 不同工作及走向倾角下疲劳寿命分析

正常工况下链环寿命云图与疲劳断裂热点分布如图17所示。 从图中可以看出, 链环疲劳寿命较短区域集中在链环接触区域、 弯曲过渡区域、 链环直臂段内侧以及链环圆弧段外侧区域, 其分布与链环等效应力分布区域一致。 其中链环疲劳寿命最短节点位于链环的过渡区域, 疲劳危险点循环次数为4 184, 刮板输送机运行1个周期所需的时间为449.4 s, 假设刮板输送机每天工作16 h, 则该链环的疲劳寿命为32.64 d。

从图16(b)中可知,链环接触区域与弯曲过渡区域分别为压应力与拉应力最大的位置, 而链环疲劳断裂热点主要集中在链环过渡区域。 链环过渡区域萌生的疲劳裂纹, 在拉应力的不断作用下会逐渐扩展, 最终产生疲劳断裂。 选取过渡区域内的4个节点为研究对象, 节点编号分别为165、 179、 9 271、 9 401。 对过渡区域4个节点的疲劳寿命取平均值, 进行不同工作及走向倾角下的疲劳寿命分析, 链环疲劳寿命曲线见图18。

从图18(a)中可看出, 上山工况中, 工作倾角越大链环疲劳寿命越短; 在下山工况中, 随着角度的增大, 其疲劳寿命呈现不同的变化趋势。 下山工况中, 煤-钢静摩擦系数对应的摩擦角为-21.85°, 当工作倾角大于-21.85°时, 煤-钢之间虽仍存在静摩擦力, 但静摩擦力作为有载侧阻力随着工作倾角的增大持续减小。 当工作倾角为14°～-21°时, 链环疲劳寿命则呈现指数型上升趋势, 理论情况下当工作倾角为21.85°时, 链环疲劳寿命达到最大值。 当工作倾角为-28°时(工况X-28°), 刮板输送机无载侧运行阻力大幅增加, 大于其有载侧阻力, 导致链环疲劳寿命开始缩短, 故工况X-28°中链环寿命为281.29 d, 短于工况X-21°(寿命为369.61 d)。

从图18(b)中可以看出, 走向倾角为-10°～10°时, 链1中链环的疲劳寿命呈现指数型缩短趋势, 工况Q-10°下链环疲劳寿命最长为534.10 d, 工况Q10°下最短, 仅为7.47 d; 链2中链环的疲劳寿命则为先缩短后延长的变化趋势, 工况Q10°下链环疲劳寿命最长为440.04 d。 由图13中链1与链2的张力差均值变化趋势与图18(b)中链环的疲劳寿命变化趋势对比可知, 在不同走向倾角下, 二者的变化趋势相反。 通过图18(a)、 (b)中寿命变化幅度对比可知, 走向倾角对链环疲劳寿命的影响大于工作倾角产生的影响。

4 结论

1)不同地形条件会影响刮板输送机的输运效率。不同工作倾角下,从工况S14°到工况X-21°刮板输送机输运效率依次递增,倾角为-21°时(质量流量为436.6 kg/s)饱和。不同走向倾角下,从工况Q-10°到工况Q5°输运效率依次递增,倾角为5°时(质量流量为360.7 kg/s)饱和;区域C与区域D中输运效率随走向倾角变化呈线性变化趋势,区域C的变化速率大于区域D。

2)不同地形条件下链条张力呈现不同变化趋势。不同工作倾角下链条张力呈上山增大下山减小的变化趋势。不同走向倾角下,倾角越大,则链1与链2张力差值越大;倾角为正时,链1张力随倾角的增大而增大,链2张力则减小,倾角为负时,链1张力随倾角的增大而减小,链2张力同样减小。

3)链环的最大等效应力位于链环接触区域,而最大拉应力位于链环过渡区域,为601.46 MPa。正常工况下链环的疲劳寿命为32.64 d,工作倾角为14°～-21°时,链环的疲劳寿命呈指数型延长趋势;走向倾角为-10°～10°时,链1中链环的疲劳寿命呈指数型缩短趋势,链2中则为先缩短后延长的变化趋势。

利益冲突声明(Conflict of Interests)

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献(Author’s Contributions)

张鹏、 麻豪洲、 李博、 董英伟、 王学文参与了实验设计、论文的写作和修改。所有作者均阅读并同意了最终稿件的提交。

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

中图分类号： TD528; TH227; TB44

文献标志码：A

引用格式：

张鹏, 麻豪洲, 李博, 等. 不同地形条件下刮板输送机输运效率及链环疲劳寿命[J]. 中国粉体技术, 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.

收稿日期： 2023-10-25,

修回日期：2023-11-30,

上线日期：2024-01-18。

基金项目：国家自然科学基金项目,编号：51875386,52204149,51804207;山西省基础研究计划项目,编号：02103021223080,202203021221051。

第一作者简介：张鹏(1998—),男,硕士生,研究方向为现代设计理论与方法。E-mail： 1714166989@qq.com。

通信作者简介：王学文(1979—),男,教授,博士,山西省高等学校优秀青年学术带头人,山西省高等学校“131”领军人才-优秀中青年拔尖创新人才,博士生导师,研究方向为机械设计及理论。E-mail： wxuew@163.com。

文章编号：1008-5548(2024)02-0045-15

DOI：10.13732/j.issn.1008-5548.2024.02.006

(责任编辑：王雅静)