【摘要】：煤炭扮演著我國主要的能源供應(yīng)角色,礦井開采的煤炭資源主要通過礦用輸送設(shè)備進(jìn)行運(yùn)輸。在一系列的礦井輸送設(shè)備中,帶式輸送機(jī)是最常用的物料輸送設(shè)備,其具有運(yùn)輸量大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),因此得到了廣泛的普及。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,現(xiàn)階段帶式輸送機(jī)逐漸朝著大功率、長距離、高運(yùn)量的方向發(fā)展,而帶式輸送機(jī)的功率是與帶式輸送機(jī)的運(yùn)行阻力息息相關(guān),另一方面,帶式輸送機(jī)的功率值與其輸送距離和物料的輸送量有直接的關(guān)系。綜上,對帶式輸送機(jī)的阻力進(jìn)行深入研究是具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。帶式輸送機(jī)的運(yùn)行阻力主要是由以下幾部分組成:主要阻力、附加阻力、特種阻力和傾斜阻力(又稱為提升阻力)。其中提升阻力是與物料的運(yùn)輸高度直接相關(guān),一般是輸送物料重力的一個分量。而特種阻力并非是所有的帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中都會產(chǎn)生的阻力,其與輸送機(jī)的具體結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。附加阻力主要是放料區(qū)物料的落料阻力以及物料與導(dǎo)料槽側(cè)板之間的摩擦阻力。而主要阻力是由托輥的旋轉(zhuǎn)阻力以及輸送帶的壓陷阻力組成。托輥的旋轉(zhuǎn)阻力是由帶式輸送機(jī)的承載部件也就是托輥處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下時產(chǎn)生的運(yùn)行阻力。而后者是由于托輥與輸送帶接觸并且兩者之間有相對運(yùn)行時產(chǎn)生的運(yùn)行阻力。根據(jù)已有的研究文獻(xiàn),旋轉(zhuǎn)阻力大約占輸送機(jī)運(yùn)行阻力的9%,壓陷阻力大約占輸送機(jī)運(yùn)行阻力的61%。由此可見壓陷阻力是帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中占比最大的阻力,所以圍繞壓陷阻力開展相應(yīng)的研究工作是很有必要的。關(guān)于壓陷阻力成因的研究文獻(xiàn)已有大量發(fā)表,壓陷阻力的形成主要是由于輸送帶的下覆蓋層具有粘彈性的特性而與輸送帶下覆蓋層相接觸的托輥是剛性體,當(dāng)帶式輸送機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時,由于兩者的材料特性,接觸區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力分布不均勻?qū)е略诮佑|區(qū)域產(chǎn)生一個與帶式輸送機(jī)運(yùn)行方向相反的力,該阻力稱其為壓陷阻力。針對壓陷阻力的研究,國外對其研究較多,而國內(nèi)的研究相對匱乏。國外的相關(guān)研究不僅有理論研究也有實(shí)驗(yàn)研究。關(guān)于理論研究,國外主要圍繞兩方面開展,分別是理論計(jì)算公式的推導(dǎo)和接觸區(qū)域應(yīng)力分布規(guī)律。前者國外主要是借助赫茲接觸理論或者利用粘彈性理論和能耗-阻力之間的關(guān)系,后者則主要借助于有限元方法。國內(nèi)針對壓陷阻力的分析主要側(cè)重于理論研究,圍繞著粘彈性模型的選取和接觸區(qū)域力學(xué)模型的建立。因此國內(nèi)外的研究成果為本論文針對的研究課題提供了有益的參考和借鑒。針對本文,論文在圍繞著帶式輸送機(jī)的壓陷阻力已有的研究成果基礎(chǔ)上,聚焦于工況因素對壓陷阻力的影響研究,側(cè)重于帶速、載荷、托輥半徑、覆蓋層厚度。在參考已有的壓陷阻力理論研究成果基礎(chǔ)上,首先借助Winkler基礎(chǔ)和三元件Maxwell模型得到了表征接觸區(qū)域各點(diǎn)應(yīng)力分布規(guī)律的計(jì)算公式并對各種因素對接觸區(qū)域應(yīng)力分布規(guī)律的影響做出了定量研究。隨后完成了基于三元件Maxwell模型和一維Winkler基礎(chǔ)的壓陷阻力計(jì)算方法的研究�；谠摲椒ɡ玫ㄟx取具有一定參考價(jià)值的若干工況點(diǎn)對常見工況因素與壓陷阻力之間的關(guān)系進(jìn)行了仿真研究,得到了若干有一定價(jià)值的結(jié)論。隨后,基于本文研究的計(jì)算方法經(jīng)過一系列的推導(dǎo)和簡化得到了壓陷阻力解析公式和簡化公式,而簡化公式可以直接反映出常見的工況因素對壓陷阻力的影響規(guī)律。在完成理論的理論部分后,提出了兩種壓陷阻力的測試方案并選取其中一套方案作為本論文的測試方法,依據(jù)該測試方法,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測試裝置。最后借助該測試裝置選取若干測試點(diǎn)對帶速、載荷與壓陷阻力之間的關(guān)系展開測試研究,將測試值與理論分析結(jié)果對比綜合。本文主要研究工作如下:(1)在兼顧實(shí)用性與準(zhǔn)確性的前提下,利用三元件Maxwell模型表征材料的粘彈性特性,結(jié)合Winkler基礎(chǔ)推導(dǎo)表征接觸區(qū)域應(yīng)力分布規(guī)律的表達(dá)式并對常見的工況因素對接觸區(qū)域應(yīng)力分布規(guī)律的影響做出了定量研究。壓陷阻力是由于輸送帶具有粘彈性特性并且當(dāng)輸送帶處于運(yùn)行狀態(tài)下時輸送帶與托輥接觸區(qū)域的應(yīng)力分布不均勻產(chǎn)生的。但是現(xiàn)階段表征材料粘彈性特性的粘彈性模型多是二參數(shù)粘彈性模型,精度不高;筆者在兼顧實(shí)用性與準(zhǔn)確性的前提下,最終認(rèn)為三元件Maxwell模型表征材料的粘彈性特性綜合效果最佳。壓陷阻力與輸送機(jī)的運(yùn)行能耗息息相關(guān),國外的壓陷阻力計(jì)算公式多是借助能耗與阻力之間的關(guān)系而忽略了接觸區(qū)域的應(yīng)力分布,這一方面的代表性成果就是Jonkers公式。本文另辟蹊徑從接觸區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律著手有利于更深層的分析壓陷阻力與各個因素之間的相互關(guān)系。為此,筆者借助一維Winkler基礎(chǔ)與三元件Maxwell模型推導(dǎo)了能夠表征接觸區(qū)域各點(diǎn)應(yīng)力分布規(guī)律的公式。首先對靜止?fàn)顟B(tài)下的接觸區(qū)域的應(yīng)力分布做出了定量計(jì)算,以此結(jié)果作為初始值完成了運(yùn)動狀態(tài)下接觸區(qū)域的應(yīng)力分布的定量計(jì)算。另一方面,由于壓陷阻力的形成是由于接觸區(qū)域的應(yīng)力分布不平衡引起的,因此對常見工況因素與接觸區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律之間的關(guān)系開展定量研究對從微觀角度研究工況因素如何對壓陷阻力施加影響提供了有益的參考。(2)研究了基于三元件Maxwell模型與一維Winkler基礎(chǔ)的壓陷阻力計(jì)算方法并借助數(shù)值解法對常見的工況因素對壓陷阻力的影響做出了仿真研究。Jonkers公式作為最早考慮到材料粘彈性的壓陷阻力計(jì)算公式,其為本文的壓陷阻力計(jì)算方法的研究提供了有益的參考。但是該公式的不足之處在于沒有能夠直接的反映出一些重要的因素對壓陷阻力的影響。為了表征材料的粘彈性特性必須借助相應(yīng)的粘彈性模型,用于壓陷阻力的粘彈性模型多是二參數(shù)粘彈性模型,該種模型的缺點(diǎn)是不能夠準(zhǔn)確的表征材料的特性,因此本文選取三參數(shù)粘彈性模型用于彌補(bǔ)二參數(shù)模型的不足。為了描述接觸區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律,選取了一維Winkler基礎(chǔ),這是因?yàn)樵撃Ｐ捅粡V泛的用于地基的受力分析中,由于該模型將接觸區(qū)域的應(yīng)力分布簡化為垂直方向上的正應(yīng)力,具有簡單實(shí)用的特點(diǎn),借助上述理論基礎(chǔ),最終得到了壓陷阻力的計(jì)算方法。對帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中的一些常見的工況參數(shù)與壓陷阻力之間的關(guān)系開展定量仿真分析對解決工程過程中存在的一些困難時很有必要的,本文選取的工況因素主要是帶速、載荷、托輥半徑、覆蓋層厚度。其中帶速、載荷是帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中的運(yùn)行參數(shù)而托輥半徑和覆蓋層厚度則是影響帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)過程中的部件選型的重要依據(jù)參數(shù)。分析帶速與阻力之間的關(guān)系對解決變頻調(diào)速對節(jié)能的影響是具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。而載荷則對應(yīng)于實(shí)際的煤炭運(yùn)輸量,分析載荷與阻力之間的關(guān)系對于實(shí)時調(diào)節(jié)運(yùn)量具有指導(dǎo)價(jià)值。而合理正確的分析覆蓋層厚度與托輥半徑不僅有利于帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中的節(jié)能降耗而且有利于帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)過程中優(yōu)化成本。值得注意的是筆者借助迭代法完成了上述工作。(3)基于本文研究的壓陷阻力計(jì)算方法推導(dǎo)出了壓陷阻力的解析公式和簡化公式。由于本文基于三元件Maxwell模型與Winkler基礎(chǔ)研究的壓陷阻力計(jì)算方法必須借助迭代法才能開展阻力的仿真研究,因此雖然其精度高但是過程繁瑣不便,所以有必要基于該方法推導(dǎo)壓陷阻力的解析公式與簡化公式。另一方面,國外已有的基于赫茲接觸理論推導(dǎo)出的壓陷阻力計(jì)算公式雖是解析式并且該公式可以直接的反映出工況因素與阻力之間的關(guān)系,但是赫茲接觸理論并不適用于粘彈性材料的接觸問題分析,而已有的Jonkers公式作為壓陷阻力的理論計(jì)算公式正是建立在粘彈性理論的基礎(chǔ)上,但是該公式并不能直接的反映出帶速與阻力之間的關(guān)系。而本文研究的壓陷阻力計(jì)算方法能夠反映出材料的粘彈性特性,因此在其基礎(chǔ)上推導(dǎo)的壓陷簡化公式不僅能夠反映出材料的粘彈性特性而且可以直接的反映出工況因素與阻力之間的關(guān)系,該公式就可以彌補(bǔ)上述已有的壓陷阻力理論計(jì)算公式的不足。最后,對推導(dǎo)出的壓陷阻力簡化公式與本文研究的壓陷阻力計(jì)算方法之間的誤差做出了定性定量分析。(4)基于間接測試法原理設(shè)計(jì)壓陷阻力的測試裝置為實(shí)驗(yàn)分析做準(zhǔn)備。經(jīng)過一系列的理論推導(dǎo)后,得到了壓陷阻力的簡化公式。簡化公式不僅能夠反映出材料的粘彈性特性而且可以直接的反映出常見的工況因素對壓陷阻力的影響,比如帶速、載荷、托輥半徑、覆蓋層厚度、粘彈性參數(shù)等。為了驗(yàn)證或者修正壓陷阻力理論研究的正確性和合理性,有必要對壓陷阻力開展實(shí)驗(yàn)研究。而實(shí)驗(yàn)研究的前提是設(shè)計(jì)相應(yīng)的測試裝置,為了實(shí)現(xiàn)上述目的,筆者設(shè)計(jì)了兩種測試方案,分別是直接測試法與間接測試法。前者是利用設(shè)計(jì)的測試裝置直接測試出對應(yīng)條件下的壓陷阻力實(shí)驗(yàn)值,后者是利用兩套測試裝置分別測試出相同條件下的主要阻力與托輥旋轉(zhuǎn)阻力,隨后求出對應(yīng)條件下的壓陷阻力值。由于實(shí)驗(yàn)室對托輥旋轉(zhuǎn)阻力有一定的研究基礎(chǔ),所以綜合對比最終選取了間接測試法。基于間接測試法的原理,作者設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測試裝置,該裝置可以對一定條件下的主要阻力進(jìn)行準(zhǔn)確的測試,借助已有的托輥旋轉(zhuǎn)阻力測試裝置完成壓陷阻力的測試。(5)利用測試裝置對帶速、載荷對壓陷阻力的影響開展實(shí)驗(yàn)分析。借助已設(shè)計(jì)的測試裝置,圍繞帶速、載荷與壓陷阻力之間的關(guān)系,筆者開展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。之所以專注于帶速、載荷的原因是由于帶速、載荷是帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中的最重要的參數(shù),為了從實(shí)驗(yàn)的角度對壓陷阻力開展分析,筆者設(shè)置了若干組具有代表性的測試點(diǎn)并對各組測試點(diǎn)所測試得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果開展分析。最后將實(shí)驗(yàn)值與理論分析結(jié)果對比并分析兩者的異同之處,驗(yàn)證了本文推導(dǎo)出了壓陷阻力簡化公式具有實(shí)用性。最后通過上述研究工作,課題凝練出如下的創(chuàng)新點(diǎn)。(1)基于三元件Maxwell模型與一維Winkler基礎(chǔ)推導(dǎo)出了表征接觸區(qū)域應(yīng)力分布規(guī)律的計(jì)算公式,并對常見工況因素與應(yīng)力分布之間的關(guān)系做出了定量分析。(2)在接觸區(qū)域應(yīng)力分布公式的基礎(chǔ)上,作者推導(dǎo)出了壓陷阻力的計(jì)算方法。并借助迭代法對各種因素與阻力之間的關(guān)系開展理論分析。(3)經(jīng)過一系列的簡化,作者利用壓陷阻力的計(jì)算方法得到了壓陷阻力的簡化公式,該公式不僅可以反映出常見工況因素與阻力之間的關(guān)系,而且對材料的粘彈性也有所體現(xiàn)。(4)依據(jù)間接測試法設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測試裝置,對帶速、載荷與阻力之間的關(guān)系做出了實(shí)驗(yàn)分析并將實(shí)驗(yàn)分析與理論分析對比研究。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TD528.1

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本文編號：2553814