传动滚筒仿生摩擦学设计与性能分析研究

论文摘要

带式输送机是煤矿生产中的一种主要的运输设备,传动滚筒是其关键部件。带式输送机是利用摩擦原理来实现机械传动的,摩擦力是其驱动力。为了保证带式输送机的安全运行,提高其运输效率,就要增大传动滚筒的驱动力。本文以提高带式输送机的运输能力为研究目标,目的在于通过对传动滚筒包覆层表面结构的研究,达到增大摩擦驱动力,实现增摩防滑的作用。本文分析了带式输送机摩擦传动的工作原理,得到了提高传动装置驱动力的途径,研究了各种途径的现场实用性和经济性,确定利用仿生摩擦学原理,采用增大摩擦系数的方法设计仿生传动滚筒。在考虑离心力和胶带重力的基础上,建立了滚筒的受力方程,分析了打滑的原因,对防滑条件进行了理论修正,研究了可行的防止打滑的技术措施。以仿生非光滑理论为依据,从增大摩擦牵引力的角度出发,利用仿生摩擦学理论,设计了两种仿生非光滑传动滚筒包覆层表面结构,即凸包形和凹坑形。对设计得到的仿生非光滑传动滚筒包覆层表面结构进行了数学建模,并对该模型进行了计算机模拟。对古典摩擦定律进行了修正,针对带式输送机运转时胶带与传动滚筒的接触特点,分析了仿生传动滚筒与胶带之间摩擦系数的影响因素,在此基础上建立了摩擦系数的函数表达式。根据凸包形仿生非光滑传动滚筒的受力特点和包覆层材料的特性,分析了它的增摩机理。采用真空吸附原理,对单个凹坑进行了受力分析,建立了凹坑形仿生非光滑传动滚筒包覆层凹坑吸盘结构在工作条件下的力学模型,研究了它的增摩机理,得到凹坑形仿生非光滑传动滚筒的摩擦系数表达式。针对选用的包覆层的材料（橡胶）,分析了基于不同理论的橡胶本构模型的优缺点和适用场合。确定了两种仿生非光滑传动滚筒的橡胶包覆层的本构模型均选用Mooney-Rivlin模型。运用有限元分析方法,对具有几何非线性（大变形）和材料非线性的仿生非光滑传动滚筒（凸包形和凹坑形两种）的受力和变形状态进行了研究,并与普通传动滚筒进行了比较。运用现场试验研究了仿生非光滑传动滚筒包覆层表面单元体分布密度、高度、直径对摩擦系数的影响,试验采用正交多项式回归设计,通过试验得到了包覆层表面非光滑几何参数与摩擦系数之间的回归方程,对回归方程进行优化分析得到了最优值。试验验证和仿真结果均表明:这两种仿生非光滑传动滚筒能增大驱动力,提高带式输送机的运输能力。普通传动滚筒与胶带之间的摩擦系数一般为0.25,而这两种仿生传动滚筒与胶带之间的摩擦系数都在0.32以上。但是凹坑形仿生非光滑传动滚筒随着实验时间的增长,其增摩效果受到一定的影响,效果不如凸包形仿生非光滑传动滚筒。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 课题的研究目的和意义
• 1.3 课题研究的现状
• 1.4 论文的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 带式输送机传动机理研究
• 2.1 带式输送机摩擦传动分析
• 2.2 传动滚筒的受力分析
• 2.3 带式输送机打滑分析与防滑措施
• 2.4 本章小结
• 3 传动滚筒非光滑包覆层的仿生摩擦学设计
• 3.1 非光滑理论及其应用研究
• 3.2 仿生摩擦学的研究及仿生设计的步骤
• 3.3 特定生物非光滑形态分析
• 3.4 凸包形非光滑传动滚筒包覆层结构的仿生摩擦学设计
• 3.5 凹坑形非光滑传动滚筒包覆层结构的仿生摩擦学设计
• 3.6 本章小结
• 4 仿生非光滑传动滚筒增摩机理分析
• 4.1 带式输送机传动滚筒与胶带摩擦学模型研究
• 4.2 凸包形仿生传动滚筒增摩机理分析
• 4.3 凹坑形仿生传动滚筒增摩机理分析
• 4.4 凹坑吸盘的变形分析
• 4.5 本章小结
• 5 仿生非光滑传动滚筒的有限元分析
• 5.1 传动滚筒有限元分析基础
• 5.2 仿生非光滑传动滚筒橡胶包覆层的本构关系模型
• 5.3 普通传动滚筒的有限元分析
• 5.4 凸包形仿生传动滚筒的有限元分析
• 5.5 凹坑形仿生传动滚筒的有限元分析
• 5.6 仿生非光滑传动滚筒和普通传动滚筒的性能比较
• 5.7 本章小节
• 6 仿生非光滑传动滚筒摩擦性能试验
• 6.1 试验设备及测试方法
• 6.2 凸包形仿生非光滑传动滚筒的正交多项式回归试验分析
• 6.3 凹坑形仿生非光滑传动滚筒的正交多项式回归试验分析
• 6.4 本章小结
• 7 结论及展望
• 7.1 本文的主要工作及结论
• 7.2 本文的创新之处
• 7.3 下一步工作展望
• 致谢
• 攻读博士期间的主要成果
• 参考文献