【理学论文】刮板输送机链轮的传输系统动态建模及仿真分析

 摘要：这篇文章介绍了一个动态模型, 它基于多体系统动力学理论，可以用于刮板输送机链轮传输系统的动态特性研究。动态模型包括链轮，链条，中间槽，过渡槽和刮削器。元器件的主要参数被考虑，如质量参数，惯性参数，参数几何学和结构参数等。根据主要部件之间相互作用的特性，高接触对主要用于动态模型的建模。作为一个例子，动态仿真上进行的条件电动机额定输出功率。然后，链轮和链条的动态负载被导出和分析。刮板输送机链轮传输系统的动态模型能够为链轮齿廓的优化提供更加真实的边界条件，关键部件的结构强度评估和疲劳寿命预测。

关键词：刮板输送机，链轮传动系统动力学建模，多体系统动力学理论，高接触对

I.引言

对于刮板输送机来说链轮传输系统起着重要的作用，它会直接影响刮板输送机的传输性能，质量和使用寿命。通常，链轮传输系统是由链轮，刮板，中间和过渡槽，以及成千上万条链条组成的。所以这是一个传统的动态分析方法不再适用的非常复杂的机械系统。

随着多体系统动力学理论，数值分析技术和计算机技术的发展和成熟，对于研究人员来说找到复杂的机械系统的多体动态模型是可能的。为了研究刮板输送机链轮传动的动态特性，并为设计师和用户提出改良建议，在这篇文章中动态建模与仿真分析的方法是基于多体系统动力学理论的。动态模型可以为链轮齿廓的优化，关键部件的结构强度评估和疲劳寿命预测提供更加真实的边界条件。

II.刮板输送机链轮传输系统动态模型概述

实际链轮传输系统具有大约八千条链条和数以百计的中间槽。在现有的软件环境和计算机硬件条件下，甚至可以发现动态模型，它应该有太大的自由度以至于无法解决。因此，本实际链系统需要简化。在这篇文章中，实际的刮板输送机链轮传输系统被简化为两个中间槽段，两个过渡段及相关链。链轮的实际负载与刮削器和中间槽之间的滑动摩擦力是等效的。

根据刮板输送机链轮传输系统的实际结构，本文发现的动态模型由三个子系统组成：二个链子系统和一个槽子系统。链子系统包括左链子系统和右链子系统，它是由钢板链，垂直链条，链轮和驱动电动机组成。槽子系统包括中间槽，过渡槽，和刮削器。

图1显示的是刮板输送机链轮传输系统的动态模型，图2显示的是关键部件的拓扑结构。

图2显示了主要用来模拟板链和垂直链，板链和链轮，垂直链和槽接触对之间的相互作用。

在动态模型中，两个驱动电引擎是简化为运动链轮和参考系之间的强加的旋转副，其值由平稳启动的链轮的一个阶跃函数决定。

III.接触对的接触搜索算法

更高的接触对被广泛应用于刮板输送机链轮传动系统中具有相互作用力的仿真组件上，它是非常必要的接触模型。

接触副的两个构件在逻辑上可以认为是在一个接触参考系中定义的一个固定构件和一个可以相对于固定构件运动的滑动构件分别组成。在轴接触的参考系中固定构件的轮廓被许多三角形片体所包围，图3显示了在空间坐标系的两个接触物体。

图 3.接触对3运动符号

双撇坐标系是节点参考系 ，滑移构件和表面接触的参考系 固定构件，分别地。所有几何固定构件的变量的表面测定参考系。该接触对的参考系被定义为固定构件的边框的左上角，如图 4所示。

图4. 联系参照系和广义坐标

滑动构件相对于固定构件的位置和方向是通过广义坐标来定义的，并用ch'd和ch'A表示出来如图4所示。因此广义坐标被直接用来表示构件之间的接触程度。

为了接下来讨论的方便，接触副的两个构件分别称为滑动构件和固定构件，滑动构件和固定构件的轮廓分别称为滑动边界和目标边界。

每对固定构件和滑动构件的边界节点必须进行检查，以检测两构件之间的联系。为了节省大量的计算，在预搜索阶段每个滑移构件的节点搜索来查找其所属的块域。该相对位置和滑动构件参照的取向相对于图4中所示的接触的参考系。因此，滑动构件相对于所描述的参考系的相对位置可以得到代表滑动构件相对于参考系的正常位置， 表示固定构件的接触状态。

如果一对节点和一个块的是在接触后的搜索步将在前面。固定构件的边界框被分成许多块。每个块都有修补程序列表在内或块边界。因此，后检索步骤将在预搜索接触块步骤，如图所示。

图。5节点和块预搜索阶段

在固定构件表面已经选择用于在预检索步骤后的搜索步骤。对于候选构件，有必要计算的量渗透产生的接触力，如图6所示。

图。6节点和补丁在搜查后阶段与所描述的一个节点与参考系的相对位置如下

矢量 被投射到补丁参考系如

其中 是补丁参考的方向矩阵系相对于所述接触参考系

在第一步搜索后检查节点是否接触补丁或不通过检查 。在非接触的情况下，程序的其余部分必须被跳过。否则渗入补丁节点的计算

其中δ始终为正。n'''是一个补丁的法线矢量和相对于所述补丁参考系常向量。

C.接触力

因此，由此所得到的接触法向力

其中k和c是弹簧和阻尼系数是确定的，分别与 是时间微分δ的渗透值。该指数 和 产生非线性接触力和指数 产生的压痕的阻尼效果。当渗透非常小, 由于负阻尼力的原因接触力可能负，这是不实际的。通过使用大于1的缩进阻尼指数这种情况可以被克服。由此得到的摩擦力是

其中μ为摩擦系数且它的符号和幅度可以从该接触位置上的相对速度来确定。

四。运动学和方程动力学模型

在前面的章节中提出的接触搜索算法。本节介绍了相对坐标运动学的触点对刮刀的动态模型输送机链轮传动系统。

递归速度和一对虚拟关系的连续体中获得 [4]

其中 表示相对坐标矢量。重要的是要注意矩阵A和B是只有 C的功能。

同样，递归虚位移关系如下获得

如果方程（7）的递推公式被分别应用到所有的运动副，笛卡尔坐标系和相对广义速度之间的关系可以得到

其中B为的系数的集合，

其中Nc和nr表示笛卡尔的数量和相对坐标。由于 在方程（9）中是一个任意向量，方程（7）和（9）是计算等价的，实际上是适用于任何载体， 这样，

其结果，转化 NR R X∈成 NC ř的Bx∈实际上是通过递归应用公式（13）计算的。以实现这项研究的计算效率。

反之，通常有必要改变一个矢量G在 Ř NC 到一个新的矢量G B G Ŧ = R中 NR 。这种转化可在笛卡尔空间中的已知广义力计算中发现。由笛卡尔力所做的虚拟功 NC R Q∈得到作为如下。

表示的是系统中的所有关节必须要在运动学上可容许的范围内，替换 为公式（14）

约束系统的运动公式可以由如下式子得到

是切缝拉格朗日乘子向量， 代表的是水平位置约束向量。M和Q分别表示笛卡尔空间的质量矩阵和力矢量。

运动和位置的水平约束方程可以通过引入隐式改写为

水平约束的位置连续分化量

方程（17）和各级的约束包括超定微分代数系统（ODAS）。一个算法的向后差分公式（BDF），以解决式[6]的ODAS。

V.SIMULATION操作模式和结果

在刮板输送机2电引擎链轮传输系统中，每个电动机的额定功率是1000KW。在额定功率条件输出时，当在5.5726rad/秒速度上运行的链轮电引擎可以提供的驱动转矩为 。链轮的运行速度被选择为一个刮板输送机链轮动态模型的输入传输系统和时间的阶跃函数是用于链轮的平稳启动。

仿真结束后，动态特性只用分析左子系统，因为它是类似于右 链子系统。左链轮的驱动转矩示图7。

图7表明，该系统达到稳定操作后1秒的模拟时间模式。链轮的平均扭矩是 从1秒到4秒，所以总的驾驶刮板输送机链轮传输系统的扭矩几乎相同于上面的理论计算值段，这表明的可行性和有效性建模方法在文章和动态介绍模型可用于刮板输送机的动态分析链轮传输系统。

为了研究链轮之间的规则，链条，链轮和链板之间的接触力是链轮中导出的一个旋转周期，如图8所示.

图8表明，链轮旋转时与链轮接触的链条数为8。该最大接触力值发生在第三链进入啮合，而另一个接触力值几乎在同一水平，这表明，该卡合是不是一个平滑的过程和链条受到影响的主要驱动力。这说链轮传输系统工作时有冲击力的时候，这是不利于疲劳寿命链和链轮的，所以参数链轮齿和链应该以最优化减少冲击接触力值，提高了链轮传输系统的操作寿命。

最大的力应当用于强度验证链条和链轮的齿廓，它是

接触面的法向力和切向力链轮和链条之间如图9所示。接触力值达到输出操作模式上的最大值额定功率的条件。

图9表明，接触的法向力值力几乎是四倍切向力，这是 约也就是说齿廓的法线方向遭受多大的操作负荷。

板和在预垂直链之间的接触力和接合过程后如图10所示。

图10显示了板之间的接触力 在售前和接合过程后垂直产业链增加高于正常水平约5倍。接触力板链和垂直链之间逐渐恢复到正常水平时的啮合过程结束。该最大力量值应该用于强度验证链。

VI.结论

在这篇文章中，研究刮板输送机链轮传输系统的动态建模方法是基于多体系统动力学理论。举一个例子，仿真分析进行了额定的条件输出功率的电动机。可以得出结论，如下：

A）链轮驱动力矩模拟和理论计算之间的比较结果表明在文章中提到刮板输送机链轮传动的建模方法系统的可行性和有效性。

B) 刮板输送机链轮传输系统的动态模型相对于传统的方法可以为链轮齿形优化，关键部件的结构强度评估和疲劳寿命预测提供更准确的识别条件。

C）仿真结果表明，该刮板输送机链轮传输系统可在额定功率输出状态安全操作，因为链条间的最大接触力远远小于链条的强度极限。

参考文献

[1]郭忠，龚萧炎，陈贺，"动力学模拟自动频率控制链轮传动系统，"煤矿机械，分析 第三十一卷，第九章，68-71页，2010年9月。

[2]蒋，"技术状况和马斯克拉普输送机在采掘工作面的发展趋势，"山东煤炭科技，第三十五卷，第八章，102-105页，2007年8月。

[3] FunctionBay公司，RecurDyn TM/求解理论手册。

[4]洛杉矶，J.，"机器人机械系统的基础"，施普林格， 1997年。

[5]威登堡，J.，"刚体动力学系统"，BG图依布纳，斯图加特，1977年。

[6] Yen, J., Haug, E. J. and Potra, F. A.,"约束的数值方法在机械系统动力学运动方程",技术r - 92报告,模拟和优化设计中心，机械工程系,数学系，爱荷华州大学,爱荷华州的城市,爱荷华州,1990年。