刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)剛-柔混合動(dòng)力學(xué)仿真研究

馬國(guó)清，任桂周，湯易

（1.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264005；2.山東省高校先進(jìn)制造與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東煙臺(tái) 264005）

刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)剛-柔混合動(dòng)力學(xué)仿真研究

馬國(guó)清1,2，任桂周1,2，湯易1,2

（1.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264005；2.山東省高校先進(jìn)制造與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東煙臺(tái) 264005）

刮板輸送機(jī)是現(xiàn)代化采煤工藝中不可缺少的主要設(shè)備．由于工作過程中承受非常大的動(dòng)載荷及摩擦阻力，使得圓環(huán)鏈發(fā)生較大的變形，尤其在刮板輸送機(jī)過載時(shí)，這種情況更加明顯．把圓環(huán)鏈完全當(dāng)做剛性體來處理，仿真結(jié)果可能達(dá)不到精度要求．本文利用ADAMS軟件建立了刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)剛-柔混合動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，模擬了鏈傳動(dòng)系統(tǒng)在過載卡死時(shí)圓環(huán)鏈、鏈輪及刮板所受到的各種力和力矩，仿真結(jié)果清晰地顯示了在大載荷作用下圓環(huán)鏈發(fā)生了長(zhǎng)度變形，提高了仿真結(jié)果精度，從而為對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核及疲勞壽命預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)．

刮板輸送機(jī)；鏈傳動(dòng)系統(tǒng)；剛-柔混合；動(dòng)力學(xué)仿真

刮板輸送機(jī)是現(xiàn)代煤礦綜采技術(shù)的核心設(shè)備，主要由機(jī)頭部機(jī)頭架、中部槽、傳動(dòng)裝置和鏈傳動(dòng)系統(tǒng)等組成．刮板輸送機(jī)具有機(jī)身空間小、可彎曲性好、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、功率大、耐磨性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但工作環(huán)境惡劣，動(dòng)負(fù)荷波動(dòng)劇烈，摩擦阻力大，在工作過程中易發(fā)生損壞．為了提高刮板輸送機(jī)的可靠性和壽命，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)常常將各零部件的安全系數(shù)選用較大值，電機(jī)功率值選取也很大，使得資源在不得已的情況造成浪費(fèi)．對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，可以模擬刮板輸送機(jī)工作過程中各零部件的受力，從而為對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核、疲勞預(yù)測(cè)及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)[1-4]．

文獻(xiàn)[5]建立了刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)剛體動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真計(jì)算，這種剛性體構(gòu)件在受到力的作用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生變形，即構(gòu)件上兩點(diǎn)之間的距離在受到載荷時(shí)并不發(fā)生改變．在現(xiàn)實(shí)中，在精度要求不是很高的時(shí)，大多數(shù)情況下把模型中的構(gòu)件當(dāng)作剛性系統(tǒng)來處理，這樣既可以得到所需精度的結(jié)果，也可以大大減少動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)的計(jì)算量．但是在對(duì)仿真結(jié)果精度要求較高的特殊情況下，如果將模型中所有構(gòu)件全部作為剛性體來處理，忽略了構(gòu)件受力下的微小變形，最終就可能達(dá)不到所需精度要求，造成仿真結(jié)果失真．所以此時(shí)有必要將整個(gè)模型或模型中的的部分構(gòu)件做成柔性體，這些柔性體在受力狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生彈性變形，更加符合實(shí)際工作狀態(tài)，最終仿真計(jì)算出來的結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確；另外如果對(duì)高精密的儀器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，因各部件微小變形會(huì)對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生較大影響，仿真時(shí)必須將各構(gòu)件微小變形納入考慮范圍，故也需要將其全部或部分構(gòu)件作為柔性體來處理；另外，如果需要研究構(gòu)件受力后構(gòu)件內(nèi)部?jī)?nèi)應(yīng)力及內(nèi)應(yīng)變，這時(shí)也必須將該構(gòu)件作為柔性體來處理．

在ADAMS中，有一個(gè)AutoFlex模塊，利用該模塊可對(duì)剛?cè)狍w混合機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真計(jì)算．

1 利用ADAMS/AutoFlex模塊建立柔性體

AutoFlex模塊是ADAMS軟件中專門用于柔性體建模的一個(gè)模塊，通過該模塊，可以很方便地建立柔性體的模態(tài)中性文件--MNF文件，然后再用該MNF文件替代原來的剛性體．對(duì)于外形相對(duì)比較復(fù)雜的柔性體，直接利用ADAMS/AutoFlex來創(chuàng)建模態(tài)中性文件會(huì)稍顯復(fù)雜，一般可以先在專用的有限元軟件中生成該構(gòu)件的模態(tài)中性文件，然后再將其導(dǎo)入到ADAMS中．

利用AutoFlex模塊創(chuàng)建柔性體，有3種方法可以實(shí)現(xiàn)．第1種方法是拉伸法（Extrusion）；第2種方法是利用剛體構(gòu)件的幾何外形（Geometry）來創(chuàng)建柔性體，將構(gòu)件離散為眾多的Solid Tetra四面體單元；第3種方法是導(dǎo)入有限元模型的網(wǎng)格文件創(chuàng)建柔性體[6]．

用構(gòu)件的幾何外形來創(chuàng)建柔性體，可以直接在ADAMS軟件中進(jìn)行，它的本質(zhì)是將幾何體的外形所占用的空間進(jìn)行有限元離散化．利用該方法進(jìn)行柔性化處理的幾何外形可以是直接在ADAMS/View中創(chuàng)建的構(gòu)件，也可以是通過其它三維CAD軟件導(dǎo)入到ADAMS的Parasolid格式構(gòu)件．

下面以刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中一個(gè)圓環(huán)鏈為例，說明利用ADAMS/AutoFlex模塊將原先的剛性體創(chuàng)建成為柔性體的操作步驟．該例是利用第2種方法即通過剛性構(gòu)件的幾何外形來創(chuàng)建柔性體．

圖1 加載ADAMS/AutoFlex模塊Fig.1 The command of loading ADAMS/Auto-

1.1 加載ADAMS/AutoFlex模塊

首先加載ADAMS/AutoFlex模塊，單擊【Tools】菜單欄，然后在下拉菜單中選擇【Plugin Manager】，在彈出的Plugin Manager窗口中ADAMS/AutoFlex一行中勾選Yes，然后點(diǎn)擊確定按鈕退出Plugin Manager窗口，這樣就成功加載了ADAMS/AutoFlex模塊，如圖1所示．

1.2 創(chuàng)建外連點(diǎn)和輔助點(diǎn)

首選在圓環(huán)鏈part43一端的旋轉(zhuǎn)鉸處創(chuàng)建一個(gè)Marker點(diǎn)，Marker點(diǎn)的屬性設(shè)置為Add to Ground和GlobalXY，將該Marker點(diǎn)改名為attachmarker-1，再在該處創(chuàng)建一個(gè)Marker點(diǎn)，將該Marker點(diǎn)向外移動(dòng)0.02 m，并改名為temmarker-1．用同樣的方法在圓環(huán)鏈part43的另一端創(chuàng)建兩個(gè)Marker點(diǎn)，分別命名為attachmarker-2和temmarker-2．

1.3 計(jì)算mnf文件

1）在ADAMS/View命令欄點(diǎn)擊【Build】，選擇【Flexible Bodies】，在下拉菜單中點(diǎn)擊【ADAMS/AutoFlex】，然后在彈出的對(duì)話框中，在FlexBody欄中輸入將要?jiǎng)?chuàng)建的柔性體的名稱part43-flex，在FlexBody Type中選擇用構(gòu)件幾何外形來創(chuàng)建柔性體的Geometry項(xiàng)，在Part to bemeshed輸入框中提交擬柔性化的剛性體構(gòu)件名稱part43．在M esh/Properties欄中，將擬采用的單元類型設(shè)置為四面體實(shí)體網(wǎng)格，Element Specification選擇Size，然后設(shè)置單元大小，在相應(yīng)欄目輸入框中輸入0.03，M inimum Size欄目中設(shè)置為0.002，節(jié)點(diǎn)數(shù)目欄目輸入框中輸入30，勾選Stress Analysis，在材料輸入框中設(shè)置為Steel，其它欄目使用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置．

2）單擊attachments項(xiàng)，進(jìn)入外連點(diǎn)的定義階段．在Selection Type下拉列表中選擇Cylindrical，在Radius輸入框中輸入0.0 15，在End Location輸入框中單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇【Reference-frame】，點(diǎn)擊【Browse】欄，彈出Database Navigator對(duì)話框，在模型樹中找到Marker點(diǎn)temmarker-1，并將該Marker點(diǎn)置入End Location輸入框中，然后對(duì)Symm tric一項(xiàng)進(jìn)行勾選，并單擊Transfer IDs按鈕，在彈出的對(duì)話框中會(huì)顯示生成的節(jié)點(diǎn)信息．同樣的方法，對(duì)圓環(huán)鏈另一端的外連點(diǎn)進(jìn)行定義．單擊OK按鈕后，就開始計(jì)算該圓環(huán)鏈的mnf文件，計(jì)算結(jié)束后在ADAMS工作目錄下就會(huì)生成part43-flex.mnf．

1.4 用柔性體構(gòu)件替換剛性體構(gòu)件．

單擊菜單【Build】，在下拉菜單中點(diǎn)擊【Flexible Bodies】，在出現(xiàn)的二級(jí)菜單中點(diǎn)擊【Rigid to Flex】，此時(shí)會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框，需要在CurrentPart輸入框提交擬柔化的剛性體構(gòu)件名稱part43，在MNF File輸入框中提交part43的MNF文件part43-flex.mnf及其路徑，單擊OK按鈕就可以用柔性體代替原來的剛性體，如圖2所示，圖中藍(lán)色的圓環(huán)鏈即為柔性體part43-flex，圖3所示為該柔性體的網(wǎng)格圖．

2 刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中柔性體的模態(tài)信息

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)本身固有的一種振動(dòng)特性，它只與構(gòu)件的材料特性、構(gòu)件的約束形式、構(gòu)件的形狀有關(guān)，而與載荷等其他條件無關(guān)．通過求解振動(dòng)特征方程，可以得到特征值與特征向量，即可得到相應(yīng)的固有頻率與模態(tài)．模態(tài)分析就是結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性分析，這種分析用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，并在此基礎(chǔ)上預(yù)言機(jī)械結(jié)構(gòu)在受到各種激振力的作用下所表現(xiàn)出的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)，模態(tài)分析的結(jié)果可作為瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，諧響應(yīng)分析和譜分析等其他動(dòng)力分析的基礎(chǔ)，因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法[7-12]．

模態(tài)振型是一種虛擬的振動(dòng)形式，也是機(jī)械系統(tǒng)的一種固有的特性，描述了與機(jī)械系統(tǒng)每一個(gè)固有頻率相對(duì)應(yīng)的自身振動(dòng)的形態(tài)．每一階固有頻率都對(duì)應(yīng)一種振型．通過振型的線性疊加可以得到實(shí)際的振動(dòng)響應(yīng)（變形）．

零件模態(tài)分析為自由狀態(tài)時(shí)，前6階為剛體位移狀態(tài)，即6個(gè)自由度狀態(tài)．第7階開始才是零件約束狀態(tài)時(shí)的第1階頻率，對(duì)應(yīng)振型為第1階振型．

圖4～圖9即為圓環(huán)鏈自由狀態(tài)時(shí)的前6階模態(tài)，是其在6個(gè)自由度上產(chǎn)生的振動(dòng)模態(tài)．

圖2 用柔性體替換剛性體后的圓環(huán)鏈圖Fig.2 The flexible body of round-link chain

圖3 柔性體圓環(huán)鏈網(wǎng)格圖Fig.3 Themeshmap of flexible round-link chain

圖4 自由狀態(tài)第1階模態(tài)圖Fig.4 Sketch of first-ordermodel in free state（繞X軸旋轉(zhuǎn)）

圖5 自由狀態(tài)第2階模態(tài)圖Fig.5 Sketch of second-ordermodel in free state（繞Z軸旋轉(zhuǎn)）

圖6 自由狀態(tài)第3階模態(tài)圖Fig.6 Sketch of third-ordermodel in freestate（沿Z軸的平移）

圖7 自由狀態(tài)第4階模態(tài)圖Fig.7 Sketch of fourth-ordermodel in free state（沿Y軸的平移）

圖8 自由狀態(tài)第5階模態(tài)圖Fig.8 Sketch of fifth-ordermodel in free state（沿X軸的平移）

圖9 自由狀態(tài)第6階模態(tài)圖Fig.9 Sketch of sixth-ordermodel in freestate（繞Y軸的旋轉(zhuǎn)）

圓環(huán)鏈第7階模態(tài)才是其在約束狀態(tài)下的第1階模態(tài)，對(duì)應(yīng)的頻率為第1階頻率．

圓環(huán)鏈約束狀態(tài)下第1階模態(tài)的振動(dòng)頻率為f=4 522.71 Hz，第2階模態(tài)的振動(dòng)頻率為f=4 775.72，第3階模態(tài)的振動(dòng)頻率為f=5 287.25，第4階模態(tài)的振動(dòng)頻率為f=5 492.58，如圖10～圖13所示．

圖10 約束狀態(tài)第1階模態(tài)圖Fig.10 Sketch of first-orderm odel in constraintstate

圖11 約束狀態(tài)第2階模態(tài)圖Fig.11 Sketch of second-ordermodel in constraintstate

圖12 約束狀態(tài)第3階模態(tài)圖Fig.12 Sketch of third-ordermodel in constraint state

圖13 約束狀態(tài)第4階模態(tài)圖Fig.13 Sketch of fourth-ordermodel in constraintstate

3 刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)剛-柔混合動(dòng)力學(xué)模型仿真

建立了刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)剛-柔混合動(dòng)力學(xué)模型后，即可在ADAMS中對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，仿真結(jié)果可以得到模型中各體的位移、速度、加速度及受力曲線．

圖14～圖18即為刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)剛-柔混合動(dòng)力學(xué)仿真過程圖及所得到的各曲線圖．

圖14 刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)剛-柔混合動(dòng)力學(xué)模型圖Fig.14 Themodelof of scraper conveyor chain transmission system

圖15 柔性體仿真圖Fig.15 The flexible round-link chain

圖16 柔性體網(wǎng)格圖Fig.16 Themeshmap of flexible round-link chain

圖17 柔性圓環(huán)鏈長(zhǎng)度變形曲線圖Fig.17 Thesketchof length deformationof flexible round-link chain

刮板輸送機(jī)在井下工作時(shí)的工況是非常復(fù)雜的，大面積煤壁的塌落有可能將鏈傳動(dòng)系統(tǒng)卡死，造成悶車．在本文的動(dòng)力學(xué)仿真模型中，設(shè)置了兩個(gè)制動(dòng)柱，當(dāng)選定的刮板與制動(dòng)柱碰撞時(shí)，鏈傳動(dòng)系統(tǒng)將被卡死，用以模擬煤壁塌落造成的悶車．圖19即為鏈傳動(dòng)系統(tǒng)被卡死時(shí)柔性圓環(huán)鏈承受的載荷，圖20為鏈輪驅(qū)動(dòng)力曲線圖，圖21為柔性圓環(huán)鏈長(zhǎng)度變形曲線圖．

圖18 剛-柔混合動(dòng)力學(xué)仿真鏈輪驅(qū)動(dòng)力曲線圖Fig.18 The driving torque of chain wheel in rigid-flexible hybrid dynamics simulation

4 結(jié)論

圖19 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)被卡死時(shí)柔性圓環(huán)鏈承受的載荷曲線圖Fig.19 The load of flexible round-link chain in case of overload

圖20 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)被卡死時(shí)鏈輪驅(qū)動(dòng)力曲線圖Fig.20 The driving torque of chain wheel in case of overload

圖21 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)被卡死時(shí)柔性圓環(huán)鏈長(zhǎng)度變形曲線圖Fig.21 The sketch of length deformation of flexible round-link chain in case of over-

在大載荷工作狀態(tài)下，刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)各零部件會(huì)發(fā)生顯著變形，如果完全將其做為剛性系統(tǒng)來處理，忽略各構(gòu)件在大載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形，則仿真結(jié)果可能會(huì)失真，因此，必須把刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)模型中的全部或部分構(gòu)件做成柔性體來處理，這樣計(jì)算出來的結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確一些．本文利用ADAMS軟件建立了刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)剛-柔混合動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，剛-柔混合動(dòng)力學(xué)模型更符合刮板輸送機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)，仿真結(jié)果清晰地顯示了在大載荷作用下圓環(huán)鏈發(fā)生了長(zhǎng)度變形，提高了仿真結(jié)果精度，從而為對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核及疲勞壽命預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)．

[1]邵國(guó)友．礦用刮板輸送機(jī)主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]．煤礦機(jī)械，2014，35（4）：14-16．

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[責(zé)任編輯 楊屹]

Study on the rigid-flexible hybrid dynam ics simulation of scraper conveyor chain transm ission system

MA Guo-qing1,2，REN Gui-zhou1,2，TANG Yi1,2

(1.Schoolof Electromechanicals&Automobile Engineering,YantaiUniversity,Shandong Yantai264005,China;2.Key Laboratory of Advanced Manufacturing and Control Technology in Universitiesof Shandong,Shandong Yantai264005,China)

Scraperconveyorhasbecomeoneof themain equipmentindispensable in the processofmodernizationof coal m ining.Because of large dynam ic load and friction resistance in working process,the round-link chainsw ould undergo large deformations,especially in the case of overloading.Treating the round-link chains as rigid body,the simulation resultsmay not reach the precision requirement.The rigid-flexible hybridmodelof scraper conveyor chain transm ission system w asbuiltin thispaper,and thedynam icssimulation analysiswasalso done.Using thesimulationmodel,the forces and torquesof round-link chain,chain wheeland scraper blade can be calculated in the case of overload.Thesimulation results clearly show that the deformation of round-link chain occured.The precision simulation has provided theoretical basis for dynamic design,intensity and fatigue lifepredictionon thescraper conveyor chain transmission system.

scraper conveyor;chain transmission system;rigid-flexiblehybrid;dynamics simulation

TH227

A

1007-2373(2015)01-0073-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.01.014

2014-10-23

汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（KF11222）；山東省科技發(fā)展計(jì)劃（2012YD04039）

馬國(guó)清（1970-），男（漢族），博士，副教授．