第1章 绪论
　　1.1 研究背景
　　散料是指堆积在一起的大量未经包装的块状、粒状、粉状物料，是几何尺寸基本属于同一量级的颗粒的集合体，如各种煤炭、砂、谷物、矿石、水泥和糖块等。散料大多用专业的散料设备输送，常见的散料搬运设备有刮板输送机、带式输送机、堆取料机、装船机、卸船机、圆形料场堆取料机、轮斗挖掘机、斗式提升机、给料机、翻车机、转载机、排土机等，使用这些散料搬用设备可有效提高生产效率。散料搬运刚散耦合系统指的是散料与搬运散料的相关机械装置所构成的输运系统，对该系统的运动学及动力学进行研究有助于优化搬运设备结构，降低故障发生率，从而改善散料的搬运情况。本书以重型刮板输送机为例，对散料搬运刚散耦合系统的运动学与动力学问题进行研究。
　　随着我国现代化经济建设步伐的加快，煤炭资源的需求量也在不断增加。煤炭作为我国主体能源，截至2021年占能源消费总量的56%，是我国战略上昀安全和昀可靠的能源，在未来几十年仍旧是我国经济发展的重要支撑[1]。在煤炭生产中，综合机械化采煤工艺(综采)保证采煤整体流程安全、有序、高效地进行，是我国采煤技术稳定发展和响应可持续发展号召的重要体现，其整体的发展水平对我国煤炭行业健康发展和经济的不断发展起着关键作用。
　　重型刮板输送机作为综采工作面关键输送设备，能将采煤机开采下来的煤快捷高效地向前输送，是满足生产需求的重要保障。重型刮板输送机(图1-1)主要由机头部分(包括机头架、电动机、链轮组件、液力耦合器、减速器等 )、中间部分(包括中部槽、刮板链组件等 )、机尾部分和附属装置(包括紧链器、挡煤板、铲煤板及电缆槽等)组成，具有运载量大、结构强度高、占用空间小等诸多优点，可以在井下长壁工作面实现水平运输和倾斜运输，适应底板不平等需求，兼作采煤机运行轨道和液压支架前段支点，是煤矿井下输送物料不可替代的重要工具。
　　图1-1重型刮板输送机
　　煤矿综采理论的发展，为重型刮板输送机的发展和应用提供了理论支撑。随着煤矿机械研究的深入和市场需求的提高，重型刮板输送机向着性能可靠、设备安全、操作智能化、标准规范化、结构大型化的方向不断发展[2，3]。重型刮板输送机的稳定机械性能和高效输运效率对煤矿整体安全生产和煤矿行业的发展起着重要作用。
　　刮板输送机的相关理论和技术不尽完善，与其应用的快速发展并不协调，导致刮板输送机本身累积了诸多问题，刮板输送机在使用过程中发生各种事故的比例相当大，严重威胁生产的进行和相关工作人员的自身安全。断链故障是刮板输送机输送过程中常见的故障，重载下链条在中部槽上往复循环，链条的过度磨损或其材料和强度不满足要求，都可能导致刮板输送机发生断链故障[4]。其他故障还包括刮板链跑出溜槽、刮板链跑链或掉链、机头机尾翻翘等。传动系统作为刮板输送机的核心系统，其正常与否将直接决定整机的使用寿命和运输性能。因此，需要对刮板输送机进行运动学和动力学研究，分析刮板输送机在一些特殊工况下的运动及受力情况。对刮板输送机在这些特殊工况下工作时各部分的受力情况及相应部件的应力和应变进行分析，可以对传动部件及其各部件在受力时的变化情况有一个全面的了解，可为刮板输送机整体的优化设计、关键零部件的结构优化提供相应的参考。
　　随着煤炭生产需求不断提升，高强度、大功率的重型刮板输送机得到了广泛应用。由于重型刮板输送机的工况条件复杂，为了满足高标准和高要求的实际工程需要，在设计过程中对其安全性和可靠性提出了更高的要求。刮板输送机工作环境恶劣，数据采集困难且具有较大风险，导致刮板输送机井下试验难以开展。借助计算机辅助设计(computer aided design，CAD)，融合多种模拟仿真分析方法(有限元法、系统动力学仿真、离散元法等 )进行仿真分析，能够较真实地反映刮板输送机的工作状态，使研究人员能够发现很多试验中无法观察到的运动与受力情况，并且可针对不同工况进行相应模拟分析，极大地降低研发成本，为刮板输送机的运动学和动力学研究提供便捷有效的解决方案。
　　因此，本书的研究目的在于建立重型刮板输送机刚散耦合系统，应用多种仿真分析方法对刮板输送机关键结构部件(中部槽、链条、刮板等 )的运动学、动力学及散料运动状态进行分析，为刮板输送机提供结构优化策略，同时为不同矿井因地制宜的刮板输送机设计提供理论依据和方法，有效延长刮板输送机使用寿命，降低故障率。
　　1.2 重型刮板输送机运动学与动力学研究现状
　　1.2.1 重型刮板输送机运动学研究现状
　　重型刮板输送机工作过程中将采煤机开采下来的煤散料源源不断地向前输送，其运动状态十分复杂，因此国内外学者对刮板输送机的运动状态开展了多方面研究[5]。例如，郄彦辉等[6]在推溜和拉架工况下，对刮板输送机工作时的运动状态和中部槽结构进行了研究，基于不同工况下的极值和应力分布对中部槽结构进行了优化设计；Katterfeld等[7]应用离散元法对斗式提升机和刮板输送机的装载及卸载过程进行了仿真模拟试验，并对结果进行了定性验证；杨茗予[8]应用 EDEM软件对刮板输送机煤散料输运过程进行了模拟，分析了刮板输送机在工作过程中中部槽内部压力变大的原因，得出满载时中部槽所受压力大小约为所输送煤重量的两倍的结论。
　　分析研究重型刮板输送机输运过程中煤岩散料的运动对改进重型刮板输送机的结构、提高其耐磨性具有重要意义，但是在这方面的研究还较缺乏，而在其他散料输运领域却已有较多研究。Qiu等[9]应用离散元法模拟了矿石物料在刮板输送机中部槽上的流动状态，研究了不同结构中部槽对物料流动特征的影响和不同煤岩颗粒对中部槽表面的影响，提出应用离散元法对物料输送进行模拟，该方法能很好地应用于中部槽的工程设计。Simsek等[10]对振动输送机振动槽表面输送的颗粒层混合状态进行了试验研究，并应用离散元法对其进行了数值仿真，发现颗粒混合与输送机的垂直加速度成正比，与输送物料的质量流量成反比。Hastie等[11]以罩勺式输送机为研究对象，分别通过连续介质法、离散元法研究了输送机输送物料的运动状态，并将结果与试验结果进行了比较，以判断连续介质法或离散元法能否准确测量溜槽流量。朴香兰等[12]根据离散元法理论，应用 EDEM软件对水平转弯状态下物料和输送带间的相互作用机理进行了研究，发现带速和带的弯转程度对输送带外侧压力分布有显著的影响。马茂平等[13]应用离散元法模拟了掘进机刮板输送物料的过程，得到了刮板与物料接触时的动载荷变化情况，其结果可应用于冲击载荷下刮板的结构设计。Mei等[14]通过离散元法模拟了不同中间支撑结构下垂直螺旋输送机的输送过程，对不同中间支撑结构的受力进行了研究，分析得出了不同中间支撑结构的优劣。
　　1.2.2 重型刮板输送机动力学研究现状
　　刮板输送机的工作过程涉及复杂的力学作用关系，诸多学者在其动力学方面进行了研究。徐广明等[15]为了保证刮板输送机正常工作，对刮板输送机链条张力进行了研究，提出了一种通过机头液压缸拉力和电机底座支撑力来计算链条运行张力的方法。毛君等[16]通过对重型刮板输送机动力学建模与仿真，研究分析了刮板输送机启动、卡链、多边形效应等诸多动力学问题，发现控制启动方式能显著降低刮板输送机的启动载荷、卡链位置对冲击载荷有显著的影响、多边形效应与链轮齿数等诸多因素有关，但多边形效应对重型刮板输送机影响可以忽略。陈新中等[17]认为刮板输送机的受力情况与采煤机直接相关，并通过有限元法对中部槽的受力情况进行了研究，发现中部槽容易失效的位置大多在相邻中部槽的连接处。谢苗等[18]基于刮板输送机动力学模型得到了不同工况下刮板输送机的动力学变化特性，认为输送机的冲击载荷与卡链位置有很大的关系，而断链的发生存在许多不确定因素，改善驱动电机的控制性能能在很大程度上可减小事故的发生概率，提高刮板输送机的安全性。Zhang等[19]构建了刮板输送机链轮传动系统的动力学模型，并进行了动态仿真，导出分析了链轮和链条的动载荷，为轮齿廓优化和预测关键部件的疲劳寿命提供了理论基础。尹强[20]将虚拟样机技术应用于刮板输送机，并构建了链传动系统的动力学模型，如图1-2所示，并利用机械系统动力学自动分析(automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS)软件对刮板输送机进行了动力学仿真分析，为刮板输送机强度校核和结构设计提供了参考依据。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2 重型刮板输送机运动学与动力学研究现状 3
1.2.1 重型刮板输送机运动学研究现状 3
1.2.2 重型刮板输送机动力学研究现状 3
1.3 运动学和动力学仿真技术研究现状 8
1.3.1 有限元法仿真技术 8
1.3.2 系统动力学仿真技术 10
1.3.3 离散元法仿真技术 12
1.4 刮板输送机结构优化研究现状 15
1.4.1 刮板输送机结构部件强度优化研究现状 15
1.4.2 刮板输送机耐磨优化研究现状 16
1.5 本书主要研究内容 20
1.6 研究方法与技术路线 21
第2章 重型刮板输送机刚散耦合系统刚体模型与静力学分析 22
2.1 链轮模型与静力学分析 22
2.1.1 链轮三维模型 22
2.1.2 链轮有限元分析模型 22
2.1.3 链轮结构静力学分析 23
2.2 链环模型与静力学分析 29
2.2.1 链环三维模型 29
2.2.2 链环结构静力学分析 29
2.3 哑铃销模型与静力学分析 33
2.3.1 哑铃销三维模型 33
2.3.2 哑铃销有限元分析模型 33
2.3.3 哑铃销结构静力学分析 33
2.4 中部槽模型与静力学分析 35
2.4.1 中部槽三维模型 35
2.4.2 中部槽结构静力学分析 35
2.5 整机模型与力学分析 36
2.5.1 整机实体模型 36
2.5.2 整机模型样机 37
2.5.3 虚拟样机模型 38
2.5.4 刚体力学分析结果 40
2.5.5 刚柔混合力学分析 41
2.6 本章小结 44
第3章 重型刮板输送机刚散耦合系统散料及其接触模型 45
3.1 散料模型 45
3.1.1 散料的物理性质 45
3.1.2 煤岩散料模型 47
3.2 接触模型 49
3.2.1 离散元法基本原理 49
3.2.2 离散元力学模型 51
3.2.3 煤散料接触模型 55
3.2.4 磨损分析模型 57
3.2.5 接触参数 58
3.3 本章小结 59
第4章 重型刮板输送机刚散耦合系统运动学 60
4.1 链轮与链环运动学分析 60
4.1.1 链轮运动学分析 60
4.1.2 链环运动学分析 61
4.2 复杂工况下输送运动仿真分析 73
4.2.1 启停及平稳工况 73
4.2.2 物料堆积工况 78
4.2.3 含矸工况 80
4.2.4 底板倾斜工况 81
4.2.5 煤散料黏度变化工况 83
4.3 煤散料分布与运动状态 85
4.3.1 煤散料分布状态 85
4.3.2 煤散料运动状态 97
4.4 中部槽输运效率分析 104
4.4.1 模型改进 104
4.4.2 输运效率影响因素 105
4.5 本章小结 107
第5章 重型刮板输送机刚散耦合系统动力学 109
5.1 重型刮板输送机动力学仿真分析 109
5.1.1 链轮动力学 109
5.1.2 链环动力学 115
5.1.3 整机动力学 119
5.2 中部槽应力与变形特性 120
5.2.1 离散元与有限元联合仿真 121
5.2.2 中部槽应力及变形结果 123
5.3 变因素下刮板输送机中部槽磨损分析 126
5.3.1 刮板输送机输运工况对中部槽磨损的影响 127
5.3.2 散料特性对中部槽磨损的影响 131
5.3.3 中部槽不同部位的磨损 133
5.4 本章小结 138
第6章 重型刮板输送机中部槽运动学与动力学磨损试验研究 139
6.1 中部槽磨料磨损试验机 139
6.2 中部槽磨料磨损因素 141
6.2.1 哈氏可磨性指数 141
6.2.2 含水率 142
6.2.3 含矸率 144
6.2.4 煤散料粒度 145
6.2.5 刮板链速 145
6.2.6 法向载荷 146
6.3 试验设计方法 147
6.3.1 Plackett-Burman因素筛选试验 147
6.3.2 中心复合设计试验 147
6.4 中部槽磨损因素筛选试验 148
6.4.1 试验准备 148
6.4.2 试验规划 148
6.4.3 试验结果及分析 149
6.5 中部槽磨损中心复合设计试验 156
6.5.1 试验规划 156
6.5.2 试验结果及分析 156
6.5.3 响应曲面分析 159
6.5.4 基于影响因素的磨损量模型及试验验证 161
6.6 本章小结 162
第7章 重型刮板输送机结构优化策略 164
7.1 重型刮板输送机关键零部件结构优化设计 164
7.1.1 过渡槽结构优化设计 164
7.1.2 链轮结构优化设计 167
7.1.3 链环结构优化设计 167
7.1.4 整机结构优化设计 168
7.2 中部槽仿生优化设计 168
7.2.1 中部槽仿生试样设计 168
7.2.2 中部槽原试样与仿生试样的静力学分析 170
7.2.3 中部槽原试样与仿生试样的摩擦接触分析 173
7.2.4 中部槽仿生昀优设计 177
7.2.5 凹坑形貌参数对中部槽耐磨性的影响 185
7.3 本章小结 192
第8章 结论与展望 194
8.1 结论 194
8.2 创新性 195
8.3 研究展望 195
参考文献 197