煤矿智能化是未来煤炭行业高质量发展的必由之路,刮板输送机作为保障煤矿综采工作面实现智能化的关键设备之一,其高效稳定、低故障运行是煤矿智能化发展的基础。实际工作过程中,由于井下环境恶劣,过载、片帮冲击等超负荷工况导致刮板输送机故障频发。目前刮板输送机的相关研究忽略了煤散料与刮板输送机之间的作用机制,难以得到复杂工况下零部件的动态响应数据,而仿真模型又缺乏可靠性试验验证,故在此背景下,本研究基于离散元法(Discrete Element Method,DEM)、多体动力学(Multi-Body Dynamics,MBD)及有限元法(Finite Element Method,FEM),构建了刮板输送机MBDDEM-FEM耦合模型,利用刮板输送机缩比试验台对虚拟样机进行可靠性试验验证,将得到的耦合模型进行数值模拟,探究超负荷工况刮板输送机刚散耦合系统的动力学特性,并对链环进行疲劳寿命分析预测。具体研究内容及结论如下:(1)构建刮板输送机虚拟样机并进行可靠性试验验证。以SGZ1000/2×1200重型刮板输送机为研究对象,构建了刮板输送机理论模型,并对刮板输送机进行简化,建立了虚拟样机。基于相似理论搭建了刮板输送机缩比试验台,对虚拟样机进行可靠性试验验证。试验结果表明,链环运行过程中虚拟样机张力的仿真值与理论计算值、试验值之间的误差分别为8.3%和3.37%,证明了该虚拟样机用于探究刮板输送机刚散耦合系统动力学特性的可行性。(2)建立了煤试样多颗粒粘结模型(Bonding-particle model,BPM),构建了刮板输送机MBD-DEM双向耦合模型。本文基于煤试样单轴压缩试验建立了BPM,以临界载荷和临界时间为响应指标,利用响应面法优化BPM粘结键的细观参数,且物理试验和仿真试验中支撑板冲击力及堆积角之间的误差值均分别为13%和1.9%,证明该BPM用于数值计算的可行性。利用得到的BPM细观参数和虚拟样机构建MBD-DEM双向刚散耦合模型。(3)探究超负荷工况刮板输送刚散耦合系统动力学特性。利用MBD-DEM耦合模型进行数值模拟,结果表明,煤散料在超负荷工况下表现出的规律为:Geometry Bin(GB)区域中煤散料达到稳定状态时所需的时间及煤散料的质量随过载量的增大而增大,煤散料质量的减少量随片帮体积增大而增大。煤散料的平均压缩力随运量的增加而增加,随着运量增加到一定程度,平均压缩力保持不变;平均压缩力的突变值随片帮体积分数的增加而增加。中板和链环在超负荷工况下受力特性为:同一Grid Bin Group(GBG)区域中两条链下方区域中板所受的压力波动较大,靠近槽帮区域中板的受力存在周期性;中板受力随GBG区域中煤散料质量和片帮体积的增加而增加。平环的受力受外部因素影响较大,链条的受力和拉力的平均值及波动幅度随着煤散料运量和片帮的体积的增加而增加。(4)通过构建MBD-DEM-FEM耦合模型,实现对超负荷工况下链环疲劳寿命的预测。通过对链环进行静力学分析和模态分析,确定了利用准静态法进行链环疲劳寿命预测分析的可行性。分别将试验台和虚拟样机得到的链环张力载荷谱导入n Code中,得到链环危险点的分布一致,且疲劳寿命的误差为7.1%,证明了虚拟样机获得的载荷谱及疲劳寿命计算模型的可靠性。将超负荷工况及平稳运行工况下虚拟样机链环的载荷谱外延,得到整个周期运行链环的载荷谱,利用n Code进行链环疲劳寿命预测。结果表明,两种工况下链环危险点的分布位置不变,但超负荷工况下各个危险点处寿命值均较小。
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