工况因素对带式输送机压陷阻力影响规律的研究

发布时间：2019-10-30 11:53

【摘要】：煤炭扮演着我国主要的能源供应角色,矿井开采的煤炭资源主要通过矿用输送设备进行运输。在一系列的矿井输送设备中,带式输送机是最常用的物料输送设备,其具有运输量大、可靠性高等优点,因此得到了广泛的普及。随着经济的发展和科技的进步,现阶段带式输送机逐渐朝着大功率、长距离、高运量的方向发展,而带式输送机的功率是与带式输送机的运行阻力息息相关,另一方面,带式输送机的功率值与其输送距离和物料的输送量有直接的关系。综上,对带式输送机的阻力进行深入研究是具有一定的现实意义。带式输送机的运行阻力主要是由以下几部分组成:主要阻力、附加阻力、特种阻力和倾斜阻力(又称为提升阻力)。其中提升阻力是与物料的运输高度直接相关,一般是输送物料重力的一个分量。而特种阻力并非是所有的带式输送机运行过程中都会产生的阻力,其与输送机的具体结构形式有关。附加阻力主要是放料区物料的落料阻力以及物料与导料槽侧板之间的摩擦阻力。而主要阻力是由托辊的旋转阻力以及输送带的压陷阻力组成。托辊的旋转阻力是由带式输送机的承载部件也就是托辊处于旋转状态下时产生的运行阻力。而后者是由于托辊与输送带接触并且两者之间有相对运行时产生的运行阻力。根据已有的研究文献,旋转阻力大约占输送机运行阻力的9%,压陷阻力大约占输送机运行阻力的61%。由此可见压陷阻力是带式输送机运行过程中占比最大的阻力,所以围绕压陷阻力开展相应的研究工作是很有必要的。关于压陷阻力成因的研究文献已有大量发表,压陷阻力的形成主要是由于输送带的下覆盖层具有粘弹性的特性而与输送带下覆盖层相接触的托辊是刚性体,当带式输送机处于运行状态时,由于两者的材料特性,接触区域产生的应力分布不均匀导致在接触区域产生一个与带式输送机运行方向相反的力,该阻力称其为压陷阻力。针对压陷阻力的研究,国外对其研究较多,而国内的研究相对匮乏。国外的相关研究不仅有理论研究也有实验研究。关于理论研究,国外主要围绕两方面开展,分别是理论计算公式的推导和接触区域应力分布规律。前者国外主要是借助赫兹接触理论或者利用粘弹性理论和能耗-阻力之间的关系,后者则主要借助于有限元方法。国内针对压陷阻力的分析主要侧重于理论研究,围绕着粘弹性模型的选取和接触区域力学模型的建立。因此国内外的研究成果为本论文针对的研究课题提供了有益的参考和借鉴。针对本文,论文在围绕着带式输送机的压陷阻力已有的研究成果基础上,聚焦于工况因素对压陷阻力的影响研究,侧重于带速、载荷、托辊半径、覆盖层厚度。在参考已有的压陷阻力理论研究成果基础上,首先借助Winkler基础和三元件Maxwell模型得到了表征接触区域各点应力分布规律的计算公式并对各种因素对接触区域应力分布规律的影响做出了定量研究。随后完成了基于三元件Maxwell模型和一维Winkler基础的压陷阻力计算方法的研究。基于该方法利用迭代法选取具有一定参考价值的若干工况点对常见工况因素与压陷阻力之间的关系进行了仿真研究,得到了若干有一定价值的结论。随后,基于本文研究的计算方法经过一系列的推导和简化得到了压陷阻力解析公式和简化公式,而简化公式可以直接反映出常见的工况因素对压陷阻力的影响规律。在完成理论的理论部分后,提出了两种压陷阻力的测试方案并选取其中一套方案作为本论文的测试方法,依据该测试方法,设计了相应的测试装置。最后借助该测试装置选取若干测试点对带速、载荷与压陷阻力之间的关系展开测试研究,将测试值与理论分析结果对比综合。本文主要研究工作如下:(1)在兼顾实用性与准确性的前提下,利用三元件Maxwell模型表征材料的粘弹性特性,结合Winkler基础推导表征接触区域应力分布规律的表达式并对常见的工况因素对接触区域应力分布规律的影响做出了定量研究。压陷阻力是由于输送带具有粘弹性特性并且当输送带处于运行状态下时输送带与托辊接触区域的应力分布不均匀产生的。但是现阶段表征材料粘弹性特性的粘弹性模型多是二参数粘弹性模型,精度不高;笔者在兼顾实用性与准确性的前提下,最终认为三元件Maxwell模型表征材料的粘弹性特性综合效果最佳。压陷阻力与输送机的运行能耗息息相关,国外的压陷阻力计算公式多是借助能耗与阻力之间的关系而忽略了接触区域的应力分布,这一方面的代表性成果就是Jonkers公式。本文另辟蹊径从接触区域的应力分布规律着手有利于更深层的分析压陷阻力与各个因素之间的相互关系。为此,笔者借助一维Winkler基础与三元件Maxwell模型推导了能够表征接触区域各点应力分布规律的公式。首先对静止状态下的接触区域的应力分布做出了定量计算,以此结果作为初始值完成了运动状态下接触区域的应力分布的定量计算。另一方面,由于压陷阻力的形成是由于接触区域的应力分布不平衡引起的,因此对常见工况因素与接触区域的应力分布规律之间的关系开展定量研究对从微观角度研究工况因素如何对压陷阻力施加影响提供了有益的参考。(2)研究了基于三元件Maxwell模型与一维Winkler基础的压陷阻力计算方法并借助数值解法对常见的工况因素对压陷阻力的影响做出了仿真研究。Jonkers公式作为最早考虑到材料粘弹性的压陷阻力计算公式,其为本文的压陷阻力计算方法的研究提供了有益的参考。但是该公式的不足之处在于没有能够直接的反映出一些重要的因素对压陷阻力的影响。为了表征材料的粘弹性特性必须借助相应的粘弹性模型,用于压陷阻力的粘弹性模型多是二参数粘弹性模型,该种模型的缺点是不能够准确的表征材料的特性,因此本文选取三参数粘弹性模型用于弥补二参数模型的不足。为了描述接触区域的应力分布规律,选取了一维Winkler基础,这是因为该模型被广泛的用于地基的受力分析中,由于该模型将接触区域的应力分布简化为垂直方向上的正应力,具有简单实用的特点,借助上述理论基础,最终得到了压陷阻力的计算方法。对带式输送机运行过程中的一些常见的工况参数与压陷阻力之间的关系开展定量仿真分析对解决工程过程中存在的一些困难时很有必要的,本文选取的工况因素主要是带速、载荷、托辊半径、覆盖层厚度。其中带速、载荷是带式输送机运行过程中的运行参数而托辊半径和覆盖层厚度则是影响带式输送机设计过程中的部件选型的重要依据参数。分析带速与阻力之间的关系对解决变频调速对节能的影响是具有一定的实际参考价值。而载荷则对应于实际的煤炭运输量,分析载荷与阻力之间的关系对于实时调节运量具有指导价值。而合理正确的分析覆盖层厚度与托辊半径不仅有利于带式输送机运行过程中的节能降耗而且有利于带式输送机设计过程中优化成本。值得注意的是笔者借助迭代法完成了上述工作。(3)基于本文研究的压陷阻力计算方法推导出了压陷阻力的解析公式和简化公式。由于本文基于三元件Maxwell模型与Winkler基础研究的压陷阻力计算方法必须借助迭代法才能开展阻力的仿真研究,因此虽然其精度高但是过程繁琐不便,所以有必要基于该方法推导压陷阻力的解析公式与简化公式。另一方面,国外已有的基于赫兹接触理论推导出的压陷阻力计算公式虽是解析式并且该公式可以直接的反映出工况因素与阻力之间的关系,但是赫兹接触理论并不适用于粘弹性材料的接触问题分析,而已有的Jonkers公式作为压陷阻力的理论计算公式正是建立在粘弹性理论的基础上,但是该公式并不能直接的反映出带速与阻力之间的关系。而本文研究的压陷阻力计算方法能够反映出材料的粘弹性特性,因此在其基础上推导的压陷简化公式不仅能够反映出材料的粘弹性特性而且可以直接的反映出工况因素与阻力之间的关系,该公式就可以弥补上述已有的压陷阻力理论计算公式的不足。最后,对推导出的压陷阻力简化公式与本文研究的压陷阻力计算方法之间的误差做出了定性定量分析。(4)基于间接测试法原理设计压陷阻力的测试装置为实验分析做准备。经过一系列的理论推导后,得到了压陷阻力的简化公式。简化公式不仅能够反映出材料的粘弹性特性而且可以直接的反映出常见的工况因素对压陷阻力的影响,比如带速、载荷、托辊半径、覆盖层厚度、粘弹性参数等。为了验证或者修正压陷阻力理论研究的正确性和合理性,有必要对压陷阻力开展实验研究。而实验研究的前提是设计相应的测试装置,为了实现上述目的,笔者设计了两种测试方案,分别是直接测试法与间接测试法。前者是利用设计的测试装置直接测试出对应条件下的压陷阻力实验值,后者是利用两套测试装置分别测试出相同条件下的主要阻力与托辊旋转阻力,随后求出对应条件下的压陷阻力值。由于实验室对托辊旋转阻力有一定的研究基础,所以综合对比最终选取了间接测试法。基于间接测试法的原理,作者设计了相应的测试装置,该装置可以对一定条件下的主要阻力进行准确的测试,借助已有的托辊旋转阻力测试装置完成压陷阻力的测试。(5)利用测试装置对带速、载荷对压陷阻力的影响开展实验分析。借助已设计的测试装置,围绕带速、载荷与压陷阻力之间的关系,笔者开展了相应的实验研究。之所以专注于带速、载荷的原因是由于带速、载荷是带式输送机运行过程中的最重要的参数,为了从实验的角度对压陷阻力开展分析,笔者设置了若干组具有代表性的测试点并对各组测试点所测试得到的实验结果开展分析。最后将实验值与理论分析结果对比并分析两者的异同之处,验证了本文推导出了压陷阻力简化公式具有实用性。最后通过上述研究工作,课题凝练出如下的创新点。(1)基于三元件Maxwell模型与一维Winkler基础推导出了表征接触区域应力分布规律的计算公式,并对常见工况因素与应力分布之间的关系做出了定量分析。(2)在接触区域应力分布公式的基础上,作者推导出了压陷阻力的计算方法。并借助迭代法对各种因素与阻力之间的关系开展理论分析。(3)经过一系列的简化,作者利用压陷阻力的计算方法得到了压陷阻力的简化公式,该公式不仅可以反映出常见工况因素与阻力之间的关系,而且对材料的粘弹性也有所体现。(4)依据间接测试法设计了相应的测试装置,对带速、载荷与阻力之间的关系做出了实验分析并将实验分析与理论分析对比研究。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD528.1

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