刮板输送机是长壁式综采工作面唯一的运输设备,经过几十年的技术引进、消化吸收、自主研发,国产刮板输送机的技术参数已经接近国外同类产品,但在可靠性、使用寿命等方面仍有一定欠缺。其原因除了核心部件的制造水平差异外,还包括对刮板输送机工作过程中的动力学特性研究不明确。刮板输送机是一个高度耦合的、非线性、多体动力学系统,系统中除了链轮与链条的啮合传动外,还包括减速器齿轮传动、刮板与中部槽及链轮的摩擦等,这些因素都会影响刮板输送机的动力学特性;此外,刮板输送机的工作环境往往比较恶劣,不同的工况对刮板输送机的动力学特性有很大的影响。因此,通过理论分析、仿真计算和试验相结合的方式,系统地研究多工况下不同因素对刮板输送机动力学特性的影响,对于提升其工作的可靠性具有重要的意义。本文首先对刮板输送机链传动系统进行了运动学和动力学理论分析,基于水平弯曲及竖直弯曲的特殊工况,建立了链传动系统的运动学模型,分析了链条速度及加速度的变化情况;基于Vogit模型依次建立了链环、链传动系统、刮板输送机整机的动力学模型,并在AMESim软件中完成了刮板输送机整机的动力学特性分析,分析了刮板输送机中机头、机尾处4个典型受力点在不同频率下的链速、链条张力的变化情况,为后续的多体动力学分析奠定了基础。基于多体动力学的思想,在ADAMS中建立了链传动系统的仿真模型,模拟了不同链速、地形及载荷下刮板输送机链传动系统的动力学特性,获取了不同工况对刮板输送机链传动系统的影响。仿真结果表明,不同链速条件下,链条松边和紧边链条均存在一定程度的波动,随着链速的增加,链条的波动幅度呈增大趋势,且链条的纵向波动呈现周期性的变化规律,这主要是由链传动系统的多边形效应所致;随着载荷的增大,驱动链轮转矩也明显增大,且驱动转矩出现周期性波动现象,其周期与链速、链轮齿数等因素密切相关;地形因素对紧边处链环的接触力变化影响不大,但对松边处链环间的接触力影响较大。在多体动力学分析的基础上,利用有限单元法,在LS-DYNA中分析和对比了不同载荷、链轮转速、链轮齿数等因素对链传动系统动力学啮合特性的影响。有限元仿真结果表明,接触力的波动幅度与接触位置距离链轮的远近有关,接触位置距离链轮越近,接触力波动的振幅越大,频率越小;随着载荷的增大,链轮啮合处接触力的波动程度和峰值随之增大;载荷增加时,链轮的应力集中区域也明显增大,链环的速度波动更加明显,表明载荷增大会降低链传动系统的工作稳定性,增大链环与链轮的磨损,最终降低刮板输送机的使用寿命;此外,链轮齿数对于链传动系统的动力学特性也有一定的影响,随着链轮齿数的增加,链轮处的啮合接触力变化趋于平缓,链环间水平方向接触力与总接触力有所减小,而垂直方向的接触力会有所增加;在刮板输送机机体结构保持一定的条件下,适当增大机头、机尾链轮的齿数,可有效提升链传动系统运行的稳定性,为刮板输送机的性能改进和优化提供了理论基础。搭建了刮板输送机动力学特性试验台,采集了刮板输送机在不同工况下的应变、机头和机尾链轮转速等信号的变化情况,分析了真实工况下刮板输送机的动力学特性变化规律。试验结果表明,试验台在不同工况下运行可靠,采集模块所采集的应变、转速、电流信号稳定,可准确描述试验过程中刮板输送机动力学特性的变化;试验台采集的轴应变数据与仿真分析数据差值稳定在30%-50%之间,表明仿真分析的结果在一定程度上可以反映实际工况下刮板输送机动力学特性的变化,为刮板输送机的设计与应用提供了参考依据;随着链速的增大,减速器中电机转频信号、各级轴及齿轮啮合信号、刮板与中部槽刮卡频率、链轮与链条的啮合频率振幅均有所增大,同时,链传动系统的多边形效应随着链速的增大趋向明显,机头链轮与机尾链轮存在不高于1%的细微转速差;在不同的地形条件中,链轮-链条的啮合频率对水平弯曲+垂直弯曲复合工况下的动力学特性影响最大,而刮板与中部槽的刮卡情况则在水平弯曲和垂直弯曲的工况下影响显著;在负载条件下,刮板与中部槽刮卡的振幅大幅增加,对刮板输送机的动力学特性有不利的影响;通过监测机头、机尾链轮的转速差和刮板的悬垂量,可有效监测刮板输送机链条的张紧状态,避免因松链导致的卡链和断链问题,从而提升刮板输送机的工作可靠性和稳定性。