凸包形仿生驱动滚筒增摩机理的分析与研究

摘要

带式输送机是煤矿生产中的一种重要的运输设备，驱动滚筒与输送带之间的摩擦牵引力是其驱动力，提高牵引力可以提高运输效率，保证安全生产。本文采用仿生摩擦学的知识，对驱动滚筒的包胶进行仿生设计来增大摩擦牵引力，为提高带式输送机的驱动力提供了一种新的途径。对凸包形仿生驱动滚筒增摩机理的分析，丰富了橡胶摩擦学和摩擦传动理论，具有重要的理论意义。
　　本文在分析了黏弹性材料模型的基础上，确定采用Kelvin模型作为橡胶的分析模型。分析了橡胶的摩擦机理及摩擦分量的计算公式，并分析了温度、速度、实际接触面积、表面状态对橡胶摩擦系数的影响。
　　对凸包形仿生表面与输送带的接触情况进行了简化，并利用压入接触力学的知识，推导了球状凸包、圆锥状凸包、圆柱状凸包与输送带之间镶嵌面积的计算公式，分析了凸包的形状、尺寸大小对镶嵌效果的影响；利用黏弹性力学、材料力学的知识，分析了输送带在凸包之间的变形情况，推导了输送带在凸包之间与仿生表面的接触面积公式，并分析了凸包的排列方式、分布密度对此接触面积的影响；结合橡胶材料摩擦力的组成，根据凸包形仿生表面的特点，推导了凸包形仿生表面与输送带之间摩擦力的计算公式，并根据经典库仑摩擦理论，推导出了凸包形仿生表面与输送带平面接触时的摩擦系数。
　　根据带式输送机摩擦传动机理，分析了弹性滑动的机理，推导了弹性蠕动量及蠕动速度的计算公式；推导了滑动弧上驱动滚筒所受压力的计算公式，根据橡胶摩擦的特点，结合凸包形仿生驱动滚筒的特点，确定了凸包形仿生驱动滚筒与输送带之间摩擦系数的计算公式，考虑到摩擦系数的变化，推导了新的摩擦传动公式。
　　利用ANSYS仿真软件对不同形状的单个凸包与输送带的接触变形情况进行了仿真，得出了凸包形仿生表面与输送带之间存在嵌入“啮合效应”，外表圆滑且狭长的凸包与输送带的镶嵌效果较好；对半球形凸包在不同压力作用下的变形情况进行仿真，得出存在一个最佳压力，使凸包与输送带之间的嵌入“啮合效应”最大。对多个凸包与输送带的接触进行分析，分析输送带在凸包之间的变形情况。最后对几种试样与输送带的接触情况进行仿真，分析其增摩效果。
　　在分析了常用摩擦系数测量方法的基础上，设计并制造了平面摩擦系数测量试验台，测量了几种凸包形试样与输送带在不同压力、不同加载时间及不同温度下的摩擦系数，根据试验结果绘制了摩擦系数曲线，分析了压力的大小、温度、凸包的形状、凸包的外形尺寸、凸包分布密度、凸包的排列方式等对摩擦系数的影响。
　　设计并制造了带式输送机动态张力测量系统，可以测量输送带打滑时输入点张力和输出点张力，以此计算出最大的牵引力，并根据传统欧拉公式，计算出不同凸包形仿生驱动滚筒的当量摩擦系数，以此得出实际计算时可采用的摩擦系数，并与光滑包胶驱动滚筒比较，分析不同凸包形仿生驱动滚筒的增摩效果。
　　本文通过理论分析、模拟仿真及试验验证的方法，分析了凸包形仿生驱动滚筒的增摩机理。在以后的研究中，还需要分析驱动滚筒的曲率半径、转动速度等对凸包形仿生表面摩擦系数的影响。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

Contents

1 绪 论

1.1 研究背景及课题来源

1.2 研究目的与意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究工作

1.5 本章小结

2 凸包形仿生表面增摩机理分析

2.1 黏弹性材料的模型

2.2 一般摩擦理论

2.3 橡胶的基础理论

2.4 凸包形仿生表面与输送带接触面积的计算

2.5 凸包形仿生表面与输送带之间摩擦系数的计算

2.6 本章小结

3 凸包形仿生驱动滚筒传动机理研究

3.1 带式输送机摩擦传动机理

3.2 输送带的弹性滑动分析

3.3 驱动滚筒的受力分析

3.4 欧拉公式的修正

3.5 本章小结

4 凸包形仿生表面与输送带接触变形的有限元分析

4.1 接触问题的有限元概述

4.2 单个凸包与输送带的接触变形分析

4.3 多个凸包与输送带的接触变形分析

4.4 凸包形仿生表面试样与输送带的仿真分析

4.5 本章小结

5 凸包形仿生表面的试验研究

5.1 平面摩擦系数测量的常用方法

5.2 试验系统的工作原理及组成

5.3 试验步骤及试验结果分析

5.4 本章小结

6 凸包形仿生驱动滚筒的试验研究

6.1 动态张力测试系统原理

6.2 试验系统的组成及试验步骤

6.4 试验数据分析

6.5 本章小结

7 结论与展望

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

参考文献

攻读博士学位期间从事科学研究及发表论文情况

附录A 重要参数表