Längstorsionsschwingungen des Kettenantriebssystems eines Minenkratzförderers

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 9174 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Um die dynamischen Eigenschaften des Kratzförderers während des Betriebs gründlich zu analysieren, werden die mechanischen Eigenschaften der gekoppelten Längs- und Torsionsschwingungsmodi unter Anregung durch Ladungsbeladung untersucht. Basierend auf dem Kelvin-Voigt-Modell und der Punkt-für-Punkt-Spannungsmethode wird ein Modell der gekoppelten Längs- und Torsionsschwingungen des Kratzkettenantriebssystems erstellt. Anschließend wird das Funktionsprogramm erstellt und die numerische Simulation durchgeführt. Abschließend wird die Korrektheit des Modells durch Vergleich mit Experimenten überprüft. Die Forschungsergebnisse zeigen die Torsionsschwingungseigenschaften des Kratzerkettenantriebssystems unter zwei verschiedenen Arbeitsbedingungen, leichte Last und mittlere Last, und bestimmen den Einflussbereich der Torsionsschwingung des Kratzers. Die Ergebnisse dieser Analyse liefern eine theoretische Grundlage für die anschließende Optimierung der Kratzerparameter, die Vorhersage des Ausfalls des Kratzerkettenantriebssystems und die Berechnung, um eine Frühwarnung zu geben, bevor ein Ausfall auftritt.

Aufgrund seiner strukturellen Eigenschaften kann der Kratzförderer als eine durchgehende starre und flexible gekoppelte Struktur betrachtet werden. Der Betrieb der Geräte geht häufig mit entsprechenden Longitudinal- und Torsionspendelschwingungen einher. Aufgrund der rauen Arbeitsumgebung und der Auswirkungen großer Kohlegesteine1,2,3 bleibt die Kette durch die Stoßbelastung hängen und funktioniert nicht mehr oder bricht in schweren Fällen sogar4,5,6.

Derzeit haben einige Wissenschaftler die dynamischen Eigenschaften der starren und flexiblen Kopplung von Kratzförderern erforscht. Dolipsk et al.7 erstellten ein dynamisches Modell des ungleichmäßigen Lastzustands eines Kratzförderers und führten Computersimulationen und eine Analyse der Arbeitslast eines Langstreckenförderers durch. Shuhuan et al.8 untersuchten den Einfluss der Laständerung auf die dynamischen Eigenschaften des Kratzförderers. Nie et al.9 verwendeten mehrere raumfeste finite Elemente, um das Kettenantriebssystem zu simulieren, berücksichtigten die Verteilung und Bewegungsform der Ladung und lösten die dynamischen Eigenschaften jedes Elements mit der Euler-Methode. Zhang et al.10 analysierten die Änderung der Förderkettenspannung mithilfe einer ADAMS-Simulation, einer numerischen Simulation und eines Zustandsbeobachters. Lianhang et al.11 erstellten ein mechanisches Modell der seitlichen Biegung eines Abschnitts eines Kratzförderers und berechneten die Parameter des horizontalen Biegeabschnitts der zentralen Rinne und deren Beziehung. Jun12 untersuchte das dynamische Verhalten der Längsschwankung des Kratzförderers und erstellte ein dynamisches Finite-Elemente-Modell. Xiufang13 leitete die Schwingungsgleichung und eine analytische Formel für Kratzförderer unter verschiedenen Fahr- und Transportmodi ab und löste die Schwingungsgleichung durch Diskretisierung. Basierend auf dem Mechanismus des Widerstands einer unter extremen Bedingungen laufenden Kette leiteten Li et al.14 eine Formel für den Widerstand der laufenden Kette ab. Zhang et al.15 führten eine Methode zur Schätzung der Spannungsverteilung des Kratzkettenantriebssystems ein, erstellten ein mathematisches Modell des Ringkettenantriebssystems und überprüften die Leistung des dynamischen Modells mit dem durch die MATLAB-Funktion gelösten Modell. Dongsheng et al.16 führten Simulationen und experimentelle Untersuchungen zu dynamischen Eigenschaften des Startens und Bremsens von Kratzförderern durch. Yao17 analysierte die dynamischen Eigenschaften und die intelligente Steuerungsmethode des Antriebssystems eines schweren Kratzförderers. Wei18 analysierte den Schaden der Kettenspannungsänderung des Kratzförderers und schlug eine Überwachungsmethode vor.

Bei der Analyse dynamischer Eigenschaften unter Fehlerbedingungen stellten Miao et al.19 eine allgemeine Gleichung für die Längsschwankung der Kette auf, bestimmten die Rand- und Anfangswertbedingungen und lösten das mathematische Modell analytisch. Mithilfe der MATLAB-Software wurden die dynamischen Probleme des Kratzförderers unter Direktstart- und Kettenausfallbedingungen simuliert. Jiang et al.20 untersuchten die dynamischen Eigenschaften eines Kratzförderers, indem sie die Vibrationssignale der Ausgangswelle des Kratzförderer-Untersetzungsgetriebes für verschiedene Kettengeschwindigkeiten, Gelände und Lastbedingungen maßen. Dongsheng et al.21 verwendeten numerische Simulationen, um die Kämmübertragung von Kettenrad und Kette eines Kratzförderers zu untersuchen. Sie analysierten außerdem die Schwingungseigenschaften des Polygoneffekts der Kratzförderkette unter zwei Arbeitsbedingungen, mit und ohne Ladung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wissenschaftler im In- und Ausland fruchtbare Ergebnisse bei der Untersuchung der dynamischen Eigenschaften von Kratzförderern erzielt haben. Aus Sicht des Forschungsinhalts werden jedoch nur wenige Kettenglieder in der Dynamiksimulation durch die ADAMS-Software berücksichtigt, sodass der Spannungsschwankungszustand der gesamten Maschine nicht gut abgebildet werden kann. Die numerische Simulation berücksichtigte nicht eine Reihe von Torsionsschwingungen, die durch die ungleichmäßige Kraft der Doppelkette verursacht wurden. Daher konnte die Simulation die dynamischen Eigenschaften der gesamten Maschine unter verschiedenen Arbeitsbedingungen und Stoßbelastungen nicht vollständig widerspiegeln.

Angesichts der Einschränkungen früherer Forschung wendet diese Studie das Kelvin-Voigt-Modell und die Punkt-für-Punkt-Spannungsmethode an, um ein Kopplungsmodell der Längs- und Torsionsschwingungen eines Kratzförderers zu erstellen. Diese Forschung berücksichtigt die ungleichmäßige Kraft von Doppelketten unter Anregungsbedingungen wie einem plötzlichen Lastwechsel und die Ergebnisse offenbaren die mechanischen Eigenschaften von Längs- und Torsionsschwingungen des Kratzkettenantriebssystems.

Kratzförderer sind die Hauptkomponenten vollmechanisierter Bergbaumaschinen. Ein Kratzförderer ist ein komplexes und stark gekoppeltes Mehrkörperdynamiksystem. Das Funktionsprinzip besteht darin, die Mittelrinne und das Kettenantriebssystem zum Transport der Kohle zu nutzen. Ein Antriebsmotor treibt das Kettenrad in Drehung. Die Kette ist mit dem Kettenrad im Eingriff. Als Zugkomponente ist der Abstreifer an einer Kette befestigt. Wie in Abb. 1 dargestellt, besteht der Kratzförderer hauptsächlich aus Antriebsmotor, Mittelrinne, Kettenrad, Schaber und Kette.

Mechanisches Modell der Schwingung eines Torsionspendels und ein Kratzkraftdiagramm.

Zur Modellierung und Analyse der Torsionsschwingungen des Kratzkettenantriebssystems werden das Kelvin-Voigt-Modell und die Punkt-für-Punkt-Spannungsmethode eingesetzt. Die Masse der Kette wird auf den Abstreifer verteilt. Das mechanische Modell der Torsionspendelschwingung des Schaber- und Kettenantriebssystems und die Kraft des Schabers sind in Abb. 2 dargestellt, und die mit Variablen versehene Tabelle ist in Tabelle 1 dargestellt.

Mechanisches Modell der Torsionspendelschwingung und ein Schaberkraftdiagramm.

Für den i-ten Schaber wird die Differentialgleichung der Bewegung aufgestellt:

Die dynamische Gleichung und die Zustandsgleichung werden aufgestellt. Das heißt, das Funktionsunterprogramm wird für die oben festgelegte dynamische Gleichung erstellt, um die Vorverarbeitung der dynamischen Analyse zu realisieren. Die Translationskoordinate x(i) und die Rotationskoordinate θ(i) werden durch x(i) ausgedrückt. Die verallgemeinerte Koordinate x(i) eignet sich zum Lösen der Gleichung. Die Zustandsfunktion der obigen dynamischen Gleichung lautet:

wobei f der Reibungskoeffizient zwischen dem Abstreifer und der Mittelrinne ist; h ist der Abstand von der Spannungsposition zur Mitte des Abstreifers; und v0 ist die Anfangsgeschwindigkeit im stabilen Betrieb. Für Spannung F(i, 1) und F(i, 2) in Gl. (2) Sie sind die Summe ihrer statischen Spannung und dynamischen Spannung. F(i, 1) = Fd(i, 1) + Fj(i, 1), F(i, 2) = Fd(i, 2) + Fj(i, 2). Im Allgemeinen sind Fj(i, 1) und Fj(i, 2) feste Werte. Wenn die Kette vor dem Start nicht vorgespannt ist, gilt F(i, 1) = Fd(i, 1), F(i, 2) = Fd(i, 2). Die mechanischen Modelle der dynamischen Spannungen Fd(i, 1) und Fd(i, 2) wurden in Abbildung 2 beschrieben. Die Gleichungen. (3), (4), (5) und (6) sind die Berechnungsgleichungen der dynamischen Spannung Fd(i, 1) bzw. Fd(i, 2).

Wenn man die Dämpfung berücksichtigt, lautet die Berechnung von \(F_{cd(i,1)}\) und \(F_{cd(i,2)}\):

Um zu verhindern, dass die Kette gestaucht wird, ist folgende Bedingung erforderlich:

Das heißt, wenn die Kettenspannung negativ ist, ist die Steifigkeit der Kette Null.

Um ein dynamisches Modell der gekoppelten Längs-Torsionsmoden des Kratzförderers zu erstellen, sind folgende Annahmen notwendig:

Der Einfluss der dynamischen Spannung der vorderen und hinteren Kettenräder bleibt unberücksichtigt.

Die Masse jedes Abstreifers ist die Summe der Masse des Abstreifers und der Kette des Verbindungsabschnitts und gleichmäßig auf jeden Zweig verteilt.

Die Rotationsträgheit des Abstreifers ist die Summe der automatischen Rotationsträgheit des Abstreifers und der Rotationsträgheit der Kette.

Mithilfe der Finite-Elemente-Methode wird das Doppelkettenübertragungssystem der Abstreifergruppe in mehrere Segmente unterteilt. Das Kelvin-Voigt-Modell wird verwendet, um die Segmente zu verbinden und sie dann mit dem Kopf-Heck-Doppelendantriebssystem zu verbinden, um ein diskretes dynamisches Modell der gekoppelten Längs-Torsionsmoden des Kratzkettenantriebssystems zu erstellen, wie in Abb. 3. Die mit Variablen versehene Tabelle ist in Tabelle 2 dargestellt.

Diskretes dynamisches Modell der gekoppelten longitudinalen Torsionsmoden des Kratzkettenantriebssystems.

Gemäß dem in Abb. 3 dargestellten diskreten Dynamikmodell der gekoppelten Längs-Torsionsmoden des Kratzkettenantriebssystems ergibt sich die folgende Gl. (8) ist festgestellt.

Fehlerbedingungen wie der Materialladevorgang und das Brechen der Kette führen zu Schwankungen in der Laufgeschwindigkeit des Kratzerkettenantriebssystems, den Torsionsschwingungen des Kratzers und der Kettenspannung vor und nach dem Kratzer. Wenn im Prozess der Torsionspendelschwingung des Schabers jeder Schaber und seine Verbindungskette als Einheit betrachtet werden, wird es schwierig, das Modell zu lösen. Daher ist die Bestimmung der maximalen Anzahl von Abstreifern von Torsionspendelvibrationseinheiten in verschiedenen Abschnitten entlang des Förderers der Schlüssel zur Verwirklichung der numerischen Lösung des Modells.

Im normalen Betriebszustand läuft die Kratzermaschine rund und es treten keine Störungen wie Kettenklemmen oder Kettenreißen auf. Die Hauptursache für die Längsdrehschwingungen des Kratzkettenantriebssystems ist die Anregung durch die Ladung. In diesem Abschnitt wird die Dämpfung der Torsionsschwingungsspannungswelle des Kratzkettenantriebssystems bei leichter und mittlerer Belastung für eine wechselnde Ladungslast simuliert.

Die Kohle wird von der Spiraltrommel des Scherers geschnitten und auf den Kratzförderer geladen. Für den Kratzkettenantrieb entspricht dies einer schlagartigen Belastung12. Da die Verteilung der Kohle in Richtung der gerissenen Kette des Kratzerförderers zunächst ungleichmäßig ist, kommt es zu einer versetzten Belastung des Kratzerförderers und der Kette.

Die Anzahl der Kratzer im Kratzkettenantriebssystem wird mit n = 30 gewählt. Beim 15. Kratzer wird die Simulationskette unterbrochen, i = 15. Die Belastung des Kratzförderers wirkt sich direkt auf dessen Laufwiderstand aus. Eine Skizze des Reibungswiderstandes der laufenden Kette ist in Abb. 4 dargestellt.

Skizze des Reibungswiderstandes der laufenden Kette.

Die Formel für die numerische Simulation des Laufwiderstands des Geräteabschnitts lautet wie folgt22:

Dabei ist hu die Höhe des Kohleschüttguts direkt über der Kette und u = 1 bzw. 2 für die erste Kette bzw. die zweite Kette. γ2 ist die Masse pro Längeneinheit der Kratzerkette, kg/m. B1 ist der Kettenmittenabstand, m. r ist der Durchmesser der Ringkette, m. s ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Schabern, m. Der Laufwiderstand eines vereinfachten Einheitsabschnitts wird als Stufenlast auf den 15. Abstreifer des Modells aufgebracht. In dieser Arbeit wird der Kratzerförderer SGZ1000/1050 als Forschungsobjekt verwendet. Die Hauptparameter des Simulationsmodells für dynamische Eigenschaften sind in Tabelle 3 aufgeführt. Die Analysemodelle für die Bedingungen leichter und mittlerer Last sind in den Abbildungen dargestellt. 5 und 6. Die Dämpfungseigenschaften der Torsionsschwingungsspannungswelle des gesamten Kratzkettenantriebssystems werden numerisch gelöst. Die Simulationsergebnisse sind in den Abbildungen dargestellt. 7 und 8.

Leichter Lastzustand.

Mittlerer Lastzustand.

Schwingungsverhalten eines Torsionspendels der Abstreifergruppe unter leichten Lastbedingungen.

Schwingungsverhalten eines Torsionspendels der Abstreifergruppe unter mittleren Lastbedingungen.

Wie in Abb. 7 dargestellt, beträgt der relative Unterschied zwischen dem 20. Schaber vor dem Anregungspunkt und dem 10. Schaber dahinter weniger als 0,5 %. Daher wird die Fläche, die unter solchen Bedingungen von Torsionspendelschwingungen beeinflusst wird, mit [i − 5, i + 5] angenommen. Wie in Abb. 8 dargestellt, beträgt bei mittleren Belastungsbedingungen die Dämpfung des Bewertungsindex der Spannungswelle des Torsionspendels für den 19. Schaber vor dem Anregungspunkt und die des 11. Schabers dahinter weniger als 0,5 %. Darüber hinaus wird angenommen, dass der Einflussbereich der Torsionspendelschwingung unter dieser Bedingung [i − 4, i + 4] beträgt, wobei i die am i-ten Schaber angelegte Anregung darstellt. Bei der anschließenden Untersuchung der Torsionspendelschwingung des Kratzförderers kann der Kratzer im betroffenen Bereich als Ganzes betrachtet werden. Der verbleibende Abstreifer wird nicht durch Torsionspendelschwingungsanregung beeinflusst und kann zur Vereinfachung des dynamischen Modells der Maschine im Durchschnitt in mehrere Einheiten unterteilt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Torsionsschwingung des Kratzerkettenantriebssystems bei leichter Last deutlicher ist als bei mittlerer Last. Das heißt, der Einflussbereich ist größer und das etablierte Äquivalentmodell enthält mehr Schaber.

Durch numerische Simulation werden die Schwingungsgeschwindigkeit und die Spannungsschwankung jedes Einheitsabschnitts des Kratzerförderers sowie die Torsionsschwingung jedes Kratzers im Einheitsabschnitt der Torsionsschwingungserregung ermittelt. Die Lasterregung erfolgt in der Mitte des Kratzförderers, vorausgesetzt, dass sich vor der Lasterregung kein Material auf dem Kratzförderer befindet. Die Geschwindigkeitsschwankungen und Spannungsschwankungen der einzelnen Einheitsabschnitte sind in Abb. 9 dargestellt.

Geschwindigkeitsschwankungen und Spannungsschwankungen des Einheitsabschnitts unter Ladungsanregung.

Im Ausschnitt der durch die Stoßbelastung angeregten Drehschwingung ist die Winkelgeschwindigkeit jeder Kette in Abb. 10 dargestellt.

Die Winkelgeschwindigkeit der Torsionsschwingung des Einheitsabschnitts unter Anregung der Ladungslast.

Nach früheren Untersuchungen sind die fünf Schaber vor und nach der Belastungsanregung der Bereich, der von der Schwingung des Torsionspendels beeinflusst wird, und somit befinden sich im angeregten Abschnitt 10 Schaber. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Ladungsanregung zu Längsschwingungen des Kratzförderers führt, was zu Schwankungen der Laufgeschwindigkeit und Kettenspannung führt. Die heftigsten Schwankungen der Laufgeschwindigkeit des Abstreifers und der Kettenspannung treten dort auf, wo die Ladungsanregung angewendet wird, was zu einer Geschwindigkeitsschwankung von maximal 119,5 % und einer Spannungsschwankung von 78,6 % führt. Die Ladungserregung im Abschnitt der Ladungserregereinheit verursacht Torsionsschwingungen des Kratzkettenantriebssystems, was zu Schwankungen der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Ketten im Kratzkettenantriebssystem führt. Der maximale Spannungsunterschied zwischen Kette 1 und Kette 2 beträgt 8,6 %. Weitere Untersuchungen zeigen, dass der Materialladeprozess leichte Torsionsvibrationen des Kratzkettenantriebssystems verursacht, und die Torsionsvibrationen sind deutlicher, wenn sich zunächst kein Material im Abschnitt des Kratzkettenantriebssystems befindet.

In dieser Studie werden Experimente im R&D (Experimental) Center der National Energy Administration durchgeführt. Diese Studie basiert auf der simulierten Testplattform vollmechanisierter Bergbauausrüstung, die gemeinsam von unserer Schule und der China Coal Equipment Company gebaut wurde. Die Torsionsschwingungseigenschaften des Kratzförderers werden experimentell untersucht. Das Gesamtstrukturdiagramm ist in Abb. 11 dargestellt.

Gesamtstrukturdiagramm des experimentellen Systems zur Überwachung der Kettenspannung.

Um die Beanspruchung der Kette im Drehschwingungsprozess des Kratzerkettenantriebssystems unter verschiedenen Arbeitsbedingungen zu testen, wird in der Versuchsplattform eine Belastungs- und Dehnungsprüfeinrichtung für das Kettenblatt aufgebaut. Beim Betrieb des Kratzförderers umfasst der Kettenkrafttest hauptsächlich die dynamische Spannungsschwankung der Kette unter verschiedenen Arbeitsbedingungen und die Änderung des Spannungswerts. Zur Überwachung wird der Dehnungsmessstreifen an der Flachringkette befestigt. Abbildung 12a zeigt die Installationsmethode für Dehnungsmessstreifen. Damit der Abstreifer und das Kettenblatt genauer ineinandergreifen, wird der Dehnungsmessstreifen an der Außenseite des Fräsflachkettenblatts angebracht und benötigt einen Schutz. Das drahtlose Datenerfassungsmodul wird im Schaber platziert und mit dem Dehnungsmessstreifen22 verbunden. Der sich ändernde Wert des Dehnungsmessstreifens wird in Echtzeit erfasst, wie in Abb. 12b dargestellt.

Schematische Darstellung des Einbaus von Dehnungsmessstreifen und Ring in das Datenerfassungs- und Übertragungssystem.

Mithilfe der Versuchsplattform werden die Kettenspannung und die Kratzschwingungen während des Betriebs des Kratzförderers gemessen. In dieser Arbeit wird nur die Kettenspannung des Kratzförderers unter normalen Materialtransportbedingungen getestet und analysiert.

Vor dem Test sollten die von jedem Sensor gemessenen Daten kalibriert werden, und die Lastberechnungsformel wird durch Anpassen des Dehnungswerts erhalten. Die Datenkalibrierung wird für die Kettenblattspannungssensoren mit den Nummern C1 und C2 durchgeführt. Mit der Belastungseinrichtung werden Nennlasten von 400 kN, 600 kN und 800 kN auf das Kettenblatt aufgebracht. Die gemessenen Mikrodehnungsdaten sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Durch Anpassen des Lastwerts und der Mikrodehnungsdaten wird die Kalibrierung des Sensors abgeschlossen und die Beziehung zwischen der Kettenkraft und der vom Sensor gemessenen Mikrodehnung ermittelt.

Dabei ist CHC1 die vom Sensor Nr. C1 gemessene Mikrodehnung und FC1 der der Dehnung entsprechende Lastwert, kN.

Dabei ist CHC2 die vom Sensor Nr. C1 gemessene Mikrodehnung und FC1 der der Dehnung entsprechende Lastwert, kN.

Der kalibrierte Kettenspannungssensor wurde verwendet, um die Kettenspannung unter leichten und mittleren Lastbedingungen zu testen. Der Teststandort für leichte und mittlere Lastbedingungen ist in Abb. 13 dargestellt.

Vor-Ort-Test der leichten und mittleren Belastungsbedingungen.

Bei der Durchführung mehrerer Leichtlasttests werden die Mikrodehnungs- und umgewandelten Spannungskurven der Kettenspannungssensoren C1 und C2 erfasst, wie in Abb. 14 dargestellt. Der C1-Sensor wird im Kettenblatt nahe der Seite der Kohlenwand installiert Der C2-Sensor ist im Kettenblatt nahe der Seite des Kohleleitblechs installiert.

Datenerfassung des Kettenspannungssensors unter leichten Lastbedingungen.

Die Daten aus acht Tests werden gesammelt, wenn der Abstreifer des Sensors an verschiedene Positionen fährt. Der erste Testdatenerfassungspunkt liegt am nächsten am Heck und der achte Testdatenerfassungspunkt am nächsten an der Nase. Tabelle 5 zeigt, dass die vom Sensor in den acht Tests gemessene Kettenspannung allmählich ansteigt. Die experimentellen Daten werden mit den theoretischen Analysedaten in Abb. 15 verglichen.

Vergleich theoretischer und experimenteller Kettenspannungen unter leichten Lastbedingungen.

Bei jeder Datenerfassung beträgt der Durchschnittswert der Differenz zwischen dem Seitenkettenring in der Nähe der Kohlewand und dem Seitenkettenring in der Nähe des Kohleleitblechs 21,4 kN und der Extremwert 27,9 kN. Der Durchschnittswert der Spannungsdifferenz zwischen dem Seitenkettenring in der Nähe der Kohlewand und dem Seitenkettenring in der Nähe des Kohleleitblechs beträgt 19,2 kN und der Extremwert beträgt 23,2 kN. Zwischen den experimentellen und den theoretischen Ergebnissen liegen Fehler von 11,3 % und 16,8 %. Die Spannung der Kette unterliegt während der Datenerfassungsperiode vielen starken Spannungsschwankungen. Der Hauptgrund liegt darin, dass der Abstreifer während des Betriebs auf große Materialien trifft oder mit der Mittelrinne kollidiert, was die einseitige Belastung des Abstreifers erhöht und dazu führt, dass der Abstreifer Torsionsschwingungen erfährt.

Die Mikrodehnungs- und umgewandelten Spannungskurven der Kettenblattspannungssensoren C1 und C2 werden während mehrerer Tests unter mittleren Lastbedingungen erfasst, wie in Abb. 16 dargestellt.

Datenerfassung des Kettenspannungssensors unter mittleren Lastbedingungen.

Die Daten der acht Tests unter der Bedingung mittlerer Last ähneln den acht Testdaten unter der Bedingung leichter Last. Es werden Daten erfasst, wenn der mit dem Sensor ausgestattete Abstreifer verschiedene Positionen anfährt. Der erste Testdatenerfassungspunkt liegt am nächsten am Heck der Maschine und der achte Testdatenerfassungspunkt am nächsten am Kopf. Tabelle 5 zeigt, dass die vom Sensor gemessene Kettenspannung in den acht Testdaten allmählich ansteigt. Da bei mittlerer Last mehr Kohlematerial durch den Abstreifer geschoben wird als bei leichter Last, ist der vom Kettenspannungssensor auf beiden Seiten des Abstreifers erfasste Kettenspannungswert höher als bei leichter Last. Die theoretischen Analysedaten werden mit den experimentellen Daten in Abb. 17 verglichen.

Bei mittlerer Belastung wird die theoretische Analyse der Kettenspannung mit den Testdaten verglichen.

Bei jeder Datenerfassung beträgt der Durchschnittswert der Differenz zwischen dem Seitenkettenring in der Nähe der Kohlewand und dem Seitenkettenring in der Nähe des Kohleleitblechs 26,5 kN und der Extremwert 32,3 kN. Der Durchschnittswert der Spannungsdifferenz zwischen dem Seitenkettenring in der Nähe der Kohlewand und dem Seitenkettenring in der Nähe des Kohleleitblechs beträgt 23,1 kN und der Extremwert beträgt 29,4 kN. Zwischen den experimentellen Ergebnissen und den Ergebnissen der theoretischen Analyse liegen Fehler von 13,8 % und 10,3 %. Darüber hinaus zeigen die Daten des Kettenspannungstests, dass die Spannung der Kette während des Datenerfassungszeitraums vielen starken Schwankungen unterliegt. Der Hauptgrund liegt darin, dass der Abstreifer während des Betriebs auf große Materialien trifft oder mit der Mittelrinne kollidiert, was die einseitige Belastung des Abstreifers erhöht und zu Torsionsschwingungen führt.

Aufgrund der Einschränkungen verschiedener Faktoren entspricht die experimentelle Forschung nicht vollständig den verschiedenen Arbeitsbedingungen in der theoretischen Forschung. Es gibt auch einige Fehler zwischen den experimentellen und den theoretischen Ergebnissen, aber beide weisen den gleichen Trend auf. Das Drehschwingungsverhalten des Kratzkettenantriebssystems des Kratzförderers unter verschiedenen Arbeitsbedingungen und der Einfluss der Drehpendelschwingung auf die Belastung des Kettenblattes können durch Theorie und Simulation analysiert werden, was die Grundlage für die anschließende Vorhersage liefert Kettenlebensdauer und Berechnung von Sicherheitsfaktoren.

In dieser Studie wurden das Kelvin-Voigt-Modell und die Punkt-für-Punkt-Spannungsmethode verwendet, um ein mechanisches Modell der gekoppelten Längs- und Torsionsschwingungen des Kratzkettenantriebssystems zu erstellen. Die Längs- und Torsionsschwingungseigenschaften des Kratzkettenantriebssystems unter verschiedenen Lastanregungen wurden durch numerische Simulation kombiniert mit experimenteller Überprüfung im Feld untersucht. Unter leichten Lastbedingungen erstreckte sich der Einflussbereich der Torsionsschwingung von Abschnitt 5 vor dem Anregungspunkt bis Abschnitt 5 hinter dem Anregungspunkt. Unter der Bedingung mittlerer Belastung reichte der Einflussbereich der Torsionsschwingung von Abschnitt 4 vor dem Erregerpunkt bis zu Abschnitt 4 hinter dem Erregerpunkt.

Die Forschungsergebnisse zeigten, dass die Anregung durch die Ladung zu Längsschwingungen des Kratzförderers führte, was zu Schwankungen in der Laufgeschwindigkeit und Kettenspannung führte. Die heftigsten Schwankungen der Kratzerlaufgeschwindigkeit und der Kettenspannung waren das Ergebnis der Ladungsanregung, die eine maximale Geschwindigkeitsschwankung von 119,5 % und eine maximale Spannungsschwankung von 78,6 % verursachte. Die Anregung eines Abschnitts durch die Ladung verursachte Torsionsschwingungen dieses Abschnitts des Kratzkettenantriebssystems, was zu Schwankungen im Spannungsunterschied zwischen den beiden Ketten im Kratzkettenantriebssystem führte. Der maximale Prozentsatz der Spannungsdifferenz zwischen Kette 1 und Kette 2 betrug 8,6 %. Weitere Untersuchungen ergaben, dass der Ladungsladevorgang leichte Torsionsvibrationen des Kratzkettenantriebssystems verursachte und dass die Torsionsvibrationen deutlicher waren, wenn zunächst keine Ladung vorhanden war.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel [und seinen ergänzenden Informationsdateien] enthalten.

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Die Finanzierung erfolgte durch die National Natural Science Foundation of China (51774162).

Fakultät für Maschinenbau, Technische Universität Liaoning, Fuxin, 123000, Liaoning, China

Jinnan Lu, Runkun Yang, Jun Mao und Chunxue Xie

Fuxin University of Technology Forschungsinstitut für künstliche Intelligenz und Ausrüstungsindustrie, Fuxin, 123000, Liaoning, China

Runkun Yang

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JL ist hauptsächlich für die Erstellung von Ideen, die Struktur, die Erstellung theoretischer Modelle, die Analyse der Ergebnisse und das Verfassen des Manuskripts durch Apos verantwortlich. RY und JM sind hauptsächlich für die Lösung des theoretischen Modells des Manuskripts verantwortlich. JM und CX sind hauptsächlich für die finanzielle Unterstützung des experimentellen Teils des Manuskripts und die Anbindung des Versuchsstandorts verantwortlich. RY ist hauptsächlich für die Übersetzung und Verfeinerung einiger Inhalte im Manuskript verantwortlich.

Korrespondenz mit Runkun Yang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Lu, J., Yang, R., Mao, J. et al. Längstorsionsschwingungen des Kettenantriebssystems eines Minenkratzförderers. Sci Rep 13, 9174 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36357-0

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Eingegangen: 24. Februar 2023

Angenommen: 01. Juni 2023

Veröffentlicht: 06. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36357-0

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