車載煤炭采樣機(jī)制樣裝置的設(shè)計優(yōu)化

王建飛， 王敬斌

（陽煤集團(tuán)二礦， 山西 陽泉 045000）

引言

煤炭采樣是煤炭煤質(zhì)相關(guān)特性分析中最為重要的工序，對煤炭品質(zhì)影響較大。目前常見的煤樣制備方式有人工采樣和機(jī)械采樣。人工采樣工作效率低，且在惡劣的環(huán)境下，工作人員難以長時間連續(xù)工作；機(jī)械采樣常見的有橋式采樣機(jī)、門式采樣機(jī)和懸臂式采樣機(jī)等，雖然大大提高了工作效率，降低了工人的勞動強(qiáng)度，但采用固定方式的采樣設(shè)備，完成對煤堆不同位置和不同形式的采煤制樣工作是很不容易的。

本文所研制的車載可移動式采樣機(jī)制樣裝置，用ABAQUS軟件對制樣裝置中關(guān)鍵部件回轉(zhuǎn)臺進(jìn)行模態(tài)仿真分析，得到回轉(zhuǎn)臺的變形較為明顯。為了改善這一現(xiàn)象，對轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理性。

1 制樣裝置的三維模型

車載煤炭采樣機(jī)制樣裝置主要由三部分組成：傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)和封裝機(jī)構(gòu)。傳動機(jī)構(gòu)的作用是傳遞力和扭矩，并實(shí)現(xiàn)了工位之間的間歇切換，主要包括電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、聯(lián)軸器等；轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)的作用是切換料桶和定位夾緊，主要包括圓形工作臺、集料筒、定位機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)等；封裝機(jī)構(gòu)的作用是完成抓蓋、轉(zhuǎn)移、對正和壓蓋密封等工序，主要包括桶蓋、抓蓋機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、往復(fù)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等[1]。煤炭采樣機(jī)裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖1。

圖1 制樣裝置三維圖

2 采樣機(jī)裝置動態(tài)特性分析

各構(gòu)件轉(zhuǎn)動慣量

式中：ρi為各構(gòu)件密度；Vi為各構(gòu)件體積；di為各構(gòu)件直徑。

假設(shè)整個傳動過程能量守恒，經(jīng)計算可得各構(gòu)件的轉(zhuǎn)動慣量如表1所示。

表1 制樣裝置傳動系統(tǒng)各構(gòu)件的轉(zhuǎn)動慣量

式中：ωn為固有頻率；J為總轉(zhuǎn)動慣量；K為扭轉(zhuǎn)剛度。

由表1可知J=37.52 kg/m2，查閱資料知K=1.25，故 ωn=0.18 Hz。

由表1可知，回轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量最大，且轉(zhuǎn)動慣量數(shù)量級數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他各構(gòu)件的轉(zhuǎn)動慣量級數(shù)。由式（2）可知，回轉(zhuǎn)臺對系統(tǒng)的固有頻率有很大影響，因此需對采樣機(jī)往復(fù)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)振動分析[2]。

3 往復(fù)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模態(tài)分析

3.1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模態(tài)分析數(shù)學(xué)模型

往復(fù)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的模態(tài)反映了其振動特性，為采樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)振動特性分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化起重要作用。本文采用提取特征值的方法[3]，其運(yùn)動的線性微分方程為

式中：[M]為質(zhì)量矩陣；[K]為剛度矩陣；為加速度向量；{x（t）}為位移向量。

假設(shè)結(jié)構(gòu)做簡諧運(yùn)動，則：

由此可得：

由此計算可得系統(tǒng)的固有頻率和振型。

3.2 模態(tài)仿真圖

本文采用Lanczos法，對前六階進(jìn)行模態(tài)分析[4]，應(yīng)用ABAQUS軟件可得回轉(zhuǎn)臺的固有頻率和振型如表2所示，各階模態(tài)振型圖如圖2所示。

表2 往復(fù)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的固有頻率及其模態(tài)振型

由表1和圖2可知，在三階模態(tài)振型下，主要是由于共振現(xiàn)象產(chǎn)生，采料桶和往復(fù)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在共振作用下均出現(xiàn)不同程度的結(jié)構(gòu)變形，其中，轉(zhuǎn)盤的形變比較顯著。分析其原因?yàn)椋恨D(zhuǎn)盤在工作時承受了來自料桶、煤樣和傳動系統(tǒng)的較大的扭轉(zhuǎn)力作用，對其整體結(jié)構(gòu)的抗振性能具有較高的要求，因此，有必要開展對轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。

4 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由前面計算可知，系統(tǒng)的固有頻率0.18 Hz，為避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象，需改變轉(zhuǎn)盤的固有頻率，對轉(zhuǎn)盤采取的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計措施如下：一是在轉(zhuǎn)盤上各主要采樣桶之間添加一定數(shù)量的加強(qiáng)筋；二是增加轉(zhuǎn)盤底座厚度，提高轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)在啟停瞬間受到較大程度的沖擊作用[5]。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)盤三維模型如圖3所示。

表3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后往復(fù)回轉(zhuǎn)臺的固有頻率和振型

通過對改進(jìn)后的轉(zhuǎn)盤進(jìn)行模態(tài)分析，得到回轉(zhuǎn)臺在前六階模態(tài)下的固有頻率和振型結(jié)果，其結(jié)果如表3所示。

5 結(jié)論

1）設(shè)計了一種車載煤炭采樣機(jī)制樣裝置，并對其進(jìn)行了動態(tài)特性分析，得出回轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他構(gòu)件；

2）通過ABAQUS軟件制樣裝置的關(guān)鍵部件回轉(zhuǎn)臺進(jìn)行模態(tài)分析，從回轉(zhuǎn)臺的固有頻率和振型圖可知，回轉(zhuǎn)臺的變形較大，針對這個現(xiàn)象，對轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；

3）經(jīng)對比轉(zhuǎn)盤優(yōu)化前后的模態(tài)振型可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)盤不再有明顯的變形，即優(yōu)化是合理和有效的，也進(jìn)一步驗(yàn)證了制樣裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。