刮板输送机工作过程中受环境、工况、故障等多因素影响，其外部激励主要包含三大方面：刮板与物料间的推移阻力(货载激励)、刮板与输送机沿线中部槽间的摩擦碰撞力(线路形态激励)和卡链事故引起的冲击力(卡链故障激励)[1-3]。
SIKORA W[4]提出当其受到不均匀载荷作用时，系统功率平衡决定了驱动装置的工作特性；MURPHY C J[5]设计了一种新方法可实时描述刮板输送机负载变化；KATTERFELD A,GRÖGER T[6]采用离散元法对刮板输送机物料装载过程和物料卸载过程进行了数值模拟；DOLIPSK M[7]建立了刮板输送机非均匀载荷状态的动态模型并得出了此状态下的电机转差率。李惟慷等[8]基于极端工况链条运行阻力产生机理，得到链条运行阻力推导公式；徐广明、杨伟红[9]提出了一种新的方法应用于不同驱动工况下刮板链条阻力预张力的计算；韩德炯等[10]研究了随牵引链速度的变化，上分段和下分段运行阻力系数的变化；马树焕[11]研究了刮板输送机货载量的变化对刮板输送机动态特性的影响；蔡柳[12]将有限元法与离散元法相结合，对刮板输送机中部槽中物料动力学特性进行研究，得到了物料与物料，物料与边界的受力情况及运动状态；王亚滨[13]利用对刮板输送机总运行阻力进行了深入的研究，同时建立了双电机驱动功率平衡控制系统模型并进行了模拟分析。
刮板链条体系在偏置载荷作用下，刮板会产生扭摆，造成两根链条受力不均匀。常规的链条安全系数的计算是按照两个链条共同承受外界载荷来计算的，因此在刮板链条体系产生扭摆时，有可能造成一个链条受力，另一个链条不受力，这样受力的链条就有可能超过安全载荷，就出现了刮板输送机经常发生的断链事故。
因此本文研究的基于考虑物料分布特征的刮板输送机运行阻力，为后续进行偏置载荷影响下的链条寿命预测、安全系数计算等提供依据。
1 物料运行阻力分析
煤块物料运行阻力主要来自于煤块物料与中部槽底板的摩擦阻力f1，煤块物料与挡煤板f2以及移动的煤块物料与煤壁侧静止物料的摩擦阻力f3[14-15]。稳定态的煤块物料产生崩塌前煤块物料运行阻力分析示意如图1所示。
图1 煤块物料运行阻力分析示意
Fig.1 Schematic diagram of coal material operation resistance
中部槽底板与煤块物料的摩擦阻力f1为
f1=μc
y(x)glsρdx
(1)
式中，μc为中部槽底板与煤块物料的摩擦因数；ls为物料沿输送机方向的长度，m。
挡煤板与煤块物料的摩擦阻力f2为煤块物料对挡煤板的侧压力与摩擦阻力系数的乘积：
f2=μcnsNx1=μcnsρgLlsh1
(2)
式中，ns为煤块物料对挡煤板的侧压力系数，ns=(1+sin φs)/(1-sin φs)=tan2(45°+φs/2)[16]；φs为散体物料的内摩擦角，(°)；Nx1为挡煤板侧煤块物料的正压力，N；h1为煤块物料在挡煤板侧的高度，m。
移动煤块物料与煤壁侧静止煤块物料的摩擦阻力f3为移动煤块物料对静止煤块物料的侧压力与摩擦阻力系数的乘积：
f3=μcnsNx2=μcnsρgLlsh2
(3)
式中，Nx2为煤壁侧静止煤块物料的正压力，N；h2为煤块物料在煤壁侧的高度，m，如果h2=0，则表示移动物料与煤壁侧静止物料的摩擦阻力f3为0。
2 刮板运行阻力分析
刮板输送机运行过程中，链条和刮板会与中部槽底板摩擦而产生摩擦阻力，是长距离刮板输送机作业时的主要运行阻力之一，需要输送机驱动电机提供很大的驱动力进行克服，因此不可忽略[17-18]。刮板在中部槽中受到的摩擦阻力示意如图2所示。
沿刮板横向方向上，刮板自身重力对中部槽底板的压力为
dN1=γ1gdB
(4)
式中，γ1为刮板单元长度的质量，kg/m。
刮板上方煤块物料对刮板的压力仅考虑刮板正上方物料的体积，则单位长度刮板受到的物料给予的正压力为
dN2=ρgdV=ρgbhdB
(5)
其中，b为刮板的长度，m；h为刮板正上方煤块散体物料的高度，m，h实际上是一个跟采煤机工作方式、运行时间等相关的动态函数，根据采煤机装煤机理、运行时间等相关参数求出所需要位置的中部槽断面的物料分布规律特征曲线，从而确定h的值。
图2 刮板运行摩擦阻力示意
Fig.2 Schematic of friction resistance of scraper operation
综上可得单元段的刮板总的摩擦阻力为
dFj=μdN1+μdN2
(6)
3 链条运行阻力分析
链条在中部槽中受到的拖链摩擦阻力示意如图3所示。
图3 链条运行摩擦阻力示意
Fig.3 Schematic of friction resistance of chain operation
单位长度的链条自身重力对中部槽底板的压力为
(7)
式中，γ2为链条单位长度的质量，kg/m；s为两个刮板之间的间距，m。
链条上方煤块物料对链条的压力仅考虑链条正上方物料的体积[19]，则单位长度链条受到的物料给予的正压力为
(8)
式中，B1为单根链条两个直杆之间的间距，m；R为圆环链体的半径，m；hi为链条正上方煤块散体物料的高度，m，i=1和2，分别表示第1根链条和第2根链条；hi为一个跟采煤机工作方式、运行时间等相关的动态函数。
综上可得单元段的链条总的摩擦阻力为
(9)
4 链条牵引力学模型
利用上述得到的刮板链条体系运行阻力计算方法对刮板链条体系的受力情况进行分析。基于物料分布特征的刮板链条体系力学模型如图4所示。
图4 基于物料分布特征的刮板链条体系力学模型
Fig.4 Mechanical model of scraper chain system based on material distribution characteristics
图4中，Flf(i,1)和Flf(i,2)第i对链条中第1根和第2根链条前端的牵引力，N，其中设定第1根链条为输送机运行方向左侧的链条，即靠近煤壁一侧的链条，设定第2根链条为输送机运行方向右侧的链条；Flf(i+1,1)和Flf(i+1,2)第i+1对链条中第1根和第2根链条前端的牵引力，N；Flb(i,1)和Flb(i,2)第i对链条中第1根和第2根链条后端的拖拽阻力，N；fl(i,1)和fl (i,2)第i对链条中第1根和第2根链条的运行摩擦阻力，N；fgd为刮板运行时与中部槽底板的摩擦阻力，N；fwd为刮板推移物料运行时，物料与中部槽底板的摩擦阻力，N；fwm为刮板推移物料运行时，物料与煤壁侧煤块的摩擦阻力，N；fwb刮板推移物料运行时，物料与输送机挡煤板的摩擦阻力，N。
根据对刮板受力分析可以得到如下表达式：
Flf(i,j)=k(i,j)Δx(i,j)+fl(i,j)+Flb(i,j)
Flb(i,j)=Flf(i+1,1)+fgd+fwd+fwm+fl
(j=1,2)(10)
式中，k(i,j)为第i对链条中第j个链条的刚度系数，N/m；Δx(i,j)为第i对链条中第j个链条的伸长量，m。
5 实 验
5.1 刮板输送机力学特性实验设备
依托国家能源局研发(实验)中心建设的综采成套装备模拟实验台对本文研究的基于物料分布特征的运行阻力进行实验研究。该实验台1∶1模拟煤矿井下开采工作面环境，主要由模拟煤壁、采煤机、刮板输送机、液压支架等开采设备和实验测试设备构成。实验台中采用的SGZ1000/1050型刮板输送机参数见表1。
表1 SGZ1000/1050型刮板输送机主要参数
Table 1 Main parameters of SGZ1000/1050 scraper conveyor
5.2 测试装置
实验台中设置了链环的应力-应变测试装置。链条受力测试主要包括不同工况链条动态张力波动以及张力值的变化。监测时，将应变片贴在链条平环链上，图5为应变片安装方式，为使刮板与链环更加准确啮合，将应变片贴在铣平的链条平环外侧，同时要求做保护处理。
图5 链条应变片安装示意
Fig.5 Installation diagram of strain gauge
将无线数据采集模块内置于刮板内部，无线数据采集模块与应变片连接，实时采集应变片的变化值，并通过无线发射天线发射至网关。将原有刮板内部改造，加工出能够安装无线采集模块、应变片以及连接导线的空间[20]。
5.3 传感器标定
进行测试之前要先对各个传感器进行数据标定，以通过测试的应变值获得链环的应力。标定过程是对传感器施加不同幅值的载荷，通过得到的应变值拟合得到载荷计算公式。以编号为C14035001-1的链环张力传感器为例进行数据标定，使用加载设备对链环施加400,600和800 kN的额定载荷，测量得到微应变数据见表2。
表2 C14035001-1传感器数据标定
Table 2 C14035001-1 sensor calibration data
通过对加载值和微应变数据进行拟合，完成了该传感器的标定，得到链环作用力与传感器测得微应变的关系：
0.316 7×εC14035001-1-598.8
(11)
式中，εC14035001-1为C14035001-1号传感器测得的微应变;FC14035001-1为应变对应载荷值，kN。
5.4 实验结果分析
使用标定好的链环张力传感器分别针对轻载工况和中载工况条件下的链环张力进行多次测试。在进行多次轻载工况测试时，采集链环张力传感器的微应变和经过转换后的张力曲线如图6所示。
轻载工况下的多测试数据是在安装传感器的刮板运行至不同位置时采集得到的，第1次测试数据采集点最靠近机尾，第8次测试数据采集点最靠近机头。多次测试数据中传感器测得的链环张力值逐渐增大。靠近煤壁侧链环张力值平均值分别为249.4,260.5,272.4,277.8,287.1,305.6,318.2和323.6 kN；靠近挡煤板侧链环张力值平均值分别为226.2,238.7,247.1,260.3,267.2,283.7,290.2和309.8 kN。将实验测试数据与理论计算数据进行对比，如图7所示。
图6 轻载工况链环张力传感器数据采集
Fig.6 Data acquisition of chain tension sensor under light load condition
图7 轻载工况下实验测试数据与理论分析数据对比
Fig.7 Comparison between the experimental test data and the theoretical analysis data under light load condition
每次数据采集时，靠近煤壁侧链环和靠近挡煤板侧链环张力值之差平均值为21.4 kN，极值为27.9 kN。理论分析得到的靠近煤壁侧链环和靠近挡煤板侧链环张力值之差平均值为19.2 kN，极值为23.2 kN。实验结果与理论分析结果存在11.3%和16.8%的误差。
在进行多次中载工况测试时，采集链环张力传感器的微应变和经过转换后的张力曲线如图8所示。
图8 中载工况链环张力传感器数据采集
Fig.8 Data acquisition of chain tension sensor undermiddle load condition
图9 中载工况实验测试数据与理论分析数据对比
Fig.9 Comparison between the experimental test data and the theoretical analysis data under middle load condition
中载工况下的多次测试数据中传感器测得的链环张力值逐渐增大。靠近煤壁侧链环张力值平均值分别为288.3,296.4,304.6,318.2,330.6,334.5,352.1和358.2 kN；靠近挡煤板侧链环张力值平均值分别为265.2,271.6,277.1,290.5,307.7,305.4,320.5,333.1 kN。由于中载工况下刮板推动的煤块物料相比轻载工况下要多，因此刮板两侧链环张力传感器检测到链环张力值要高于轻载工况。将实验测试数据与理论分析数据进行对比，如图9所示。
每次数据采集时，靠近煤壁侧链环和靠近挡煤板侧链环张力值之差平均值为26.5 kN，极值为32.3 kN。理论分析得到的靠近煤壁侧链环和靠近挡煤板侧链环张力值之差平均值为23.1 kN，极值为29.4 kN。实验结果与理论分析结果存在13.8.3%和10.3%的误差。
6 结 论
(1)研究了基于考虑物料分布特征的刮板输送机运行阻力计算方法，建立了物料运行阻力、刮板运行阻力和链条运行阻力计算公式，最终得到链条牵引计算模型。
(2)依托国家能源局研发(实验)中心建设的综采成套装备模拟试验台对本文研究的基于物料分布特征的运行阻力计算方法进行轻载工况和中载工况的实验研究。研究结果表明本文研究的刮板输送机运行阻力理论计算方法与实验数据误差在允许范围内。
(3)研究的计算方法相比传统的运行阻力简化方式能够更加真实的反应出刮板输送机运行时的阻力，可为后续进行偏置载荷影响下的链条寿命预测、安全系数计算等提供依据。
参考文献(References):
[1] DOLIPSKI Marian,CHELUSZKA Piotr,REMIORZ Eryk,et al.Follow-up chain tension in an armoured face conveyor[J].Archives of Mining Sciences,2015,60(1):25-38.
[2] WANG Jinhua,YU Bin,KANG Hongpu,et al.Key technologies and equipment for a fully mechanized top-coal caving operation with a large mining height at ultra-thick coal seams[J].International Journal of Coal Science & Technology,2015,2(2):97-161.
[3] 王金华,黄乐亭,李首滨,等.综采工作面智能化技术与装备的发展[J].煤炭学报,2014,39(8):1418-1423.
WANG Jinhua,HUANG Leting,LI Shoubin,et al.Development of intelligent technology and equipment in fully-mechanized coal mining face[J].Journal of China Coal Society,2014,39(8):1418-1423.
[4] SIKORA W.The inhomogeneity of drive device of efficient scraper conveyor[J].Przegl.Gorn,1993(4):23-26.
[5] MURPHY C J,BLISS R E.Method and apparatus for belt conveyor load tracking[P].U.S.Patent:5335777,1994-08-09.
[6] KATTERFELD A,GRÖGER T,MINKIN A.Discrete element simulation of transfer stations and their verification[A].9th International Conference on Bulk Materials Storage,Handling and Transportation[C].Newcastle,NSW,Australia,2007.
[7] DOLIPSKI M,REMIORZ E,SOBOTA P.Dynamics of non-uniformity loads of AFC drives[J].Archives of Mining Sciences,2014,59(1):155-168.
[8] 李惟慷,毛君,李建刚,等.刮板输送机刮板间距的优化[J].辽宁工程技术大学学报,2008,27(6):912-914.
LI Weikang,MAO Jun,LI Jiangang,et al.Optimization of scraper spacing in scraper conveyor[J].Journal of Liaoning Technical University,2008,27(6):912-914.
[9] 徐广明,杨伟红.刮板输送机运行阻力计算分析[J].煤矿机械,2009,30(1):3-5.
XU Guangming,YANG Weihong.Calculation and analysis of running resistance of scraper conveyor[J].Coal Mine Machinery,2009,30(1):3-5.
[10] 韩德炯,李冬浩,宋伟刚.刮板输送机动力学问题的差分数值解法与计算机仿真[J].矿山机械,2009,37(11):22-26.
HAN Dejiong,LI Donghao,SONG Weigang.Differential numerical method and computer simulation of dynamic problem of scraper conveyor[J].Mining Machinery,2009,37(11):22-26.
[11] 马树焕.刮板输送机动态分析中货载量的处理[J].煤矿机械,2011,32(1):192-193.
MA Shuhuan.Dealed with load in dynamics characteristic analysis of scraper conveyer[J].Coal Mine Machinery,2011,32(1):192-193.
[12] 蔡柳.煤散料在刮板输送机中部槽内的运输状态与力学行为[D].太原:太原理工大学,2016:5-10.
CAI Liu.Transportation and mechanical behavior of coal bulk material in the middle trough of scraper conveyor[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2016:5-10.
[13] 王亚滨.重型刮板输送机可控启动装置控制系统研究[D].太原:太原理工大学,2016:11-20.
WANG Yabin.Study on the control system of controllable starting device of heavy scraper conveyor[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2016:11-20.
[14] HARGRAVE Chad O,JAMES Craig A,RALSTON Jonathon C.Infrastructure-based localisation of automated coal mining equipment[J].International Journal of Coal Science & Technology,2017,4(3):252-261.
[15] SHI Zhiyuan,ZHU Zhencai.Wear analysis of the middle plate of a heavy-load scraper conveyor chute under a range of operating conditions[J].Wear,2017,380-381:36-41.
[16] 张东升,毛君,刘占胜.刮板输送机启动及制动动力学特性仿真与实验研究[J].煤炭学报,2016,41(2):513-521.
ZHANG Dongsheng,MAO Jun,LIU Zhansheng.Dynamics simulation and experiment on the starting and braking of scraper conveyor[J].Journal of China Coal Society,2016,41(2):513-521.
[17] 王淑平,杨兆建,王学文.刮板输送机驱动链轮磨损与啮合力学行为[J].煤炭学报,2014,39(1):166-171.
WANG Shuping,YANG Zhaojian,WANG Xuewen.Wear of driving sprocket for scraper convoy and mechanical behaviors at meshing progress[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):166-171.
[19] WANG Jinhua.Development and prospect on fully mechanized mining in Chinese coal mines[J].International Journal of Coal Science & Technology,2014,1(3):253-260.
[18] 毛君,李贵轩.刮板输送机动力学行为分析与控制理论研究[M].沈阳:辽宁大学出版社,2006.
MAO Jun,LI Guixuan.Study on scraper conveyor dynamics analysis and control theory[M].Shenyang:Liaoning University Press,2006.
[20] WANG Haijian,ZHANG Qiang,XIE Fei.Dynamic tension test and intelligent coordinated control system of a heavy scraper conveyor[J].IET Science Measurement & Technology,2017,11(7):871-877.
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