采煤機(jī)直線割煤時(shí)中部槽啞鈴銷動(dòng)力學(xué)分析

張苗苗，王義亮，楊兆建

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

1 引言

刮板輸送機(jī)是煤礦機(jī)械中關(guān)鍵的設(shè)備之一，而中部槽作為刮板輸送機(jī)的機(jī)身，是刮板輸送機(jī)的主要部件，同時(shí)也是最容易損壞的部件之一[1]；中部槽的連接依靠啞鈴銷，若啞鈴銷損壞，則刮板輸送機(jī)無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。所以，為了提高刮板輸送機(jī)的壽命，對(duì)中部槽和啞鈴銷進(jìn)行受力分析，以確定兩者容易損壞的位置。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于中部槽-啞鈴銷的連接體系的研究比較單一：例如廖昕、張建潤(rùn)研究了采煤機(jī)三種極限工況下中部槽與啞鈴銷強(qiáng)度非線性分析；張東升、于海洋研究了在刮板輸送機(jī)推溜工況下中部槽組與啞鈴銷下的動(dòng)力學(xué)仿真，得出兩者最大接觸應(yīng)力發(fā)生部位并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；郝勇等通過(guò)對(duì)實(shí)際工況中部槽進(jìn)行分析，建立了推溜、拉架兩種工況下的力學(xué)模型[3-5]。針對(duì)以上的研究，不難發(fā)現(xiàn)，他們研究中部槽-啞鈴銷連接體系的側(cè)重點(diǎn)主要集中于典型極限工況下的非線性分析。但在實(shí)際的采煤、運(yùn)煤過(guò)程中，中部槽作為采煤機(jī)主要的承載部件，其本身的重量及前后滾筒割煤時(shí)遇到的阻力通過(guò)力的傳遞對(duì)中部槽-啞鈴銷連接體系有著很大的影響。在不影響計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上適當(dāng)簡(jiǎn)化模型[6-7]。以中部槽、啞鈴銷為對(duì)象，研究在采煤機(jī)直線行走時(shí)兩者的受力情況，并對(duì)薄弱環(huán)節(jié)加以分析，為中部槽、啞鈴銷的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)，以達(dá)到延長(zhǎng)其使用壽命的目的。

2 受力來(lái)源分析

2.1 采煤機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型建立

刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，只保留與采煤機(jī)相接觸的部件，即中部槽鏟煤板與銷軌，并在三維建模軟件UG中建立相應(yīng)模型，采煤機(jī)與簡(jiǎn)化的刮板輸送機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)模型圖Fig.1 Model Diagram of Shearer and Scraper Conveyor

2.2 約束及接觸的添加

對(duì)采煤機(jī)、銷軌和鏟煤板添加必要的約束，以滿足采煤機(jī)的正常行走，計(jì)算接觸力的各參數(shù)需要在ADAMS軟件中設(shè)定，接觸剛度系數(shù)根據(jù)赫茲接觸理論計(jì)算得到[8]。接觸參數(shù)的選擇會(huì)直接影響到仿真效果，其中接觸剛度K及最大阻尼C可以通過(guò)以下公式進(jìn)行估算，接觸剛度：

其中：

式中：R1、R2—兩物體的曲率半徑；E1、E2—兩構(gòu)件的彈性模量；u1、u2—兩構(gòu)件的泊松比；

最大阻尼C：

式中：Y—材料的屈服強(qiáng)度；ρ—材料的密度；v—齒面嚙合碰撞速度；e—碰撞恢復(fù)系數(shù)；δ—接觸面的法向變形量；a—非線性阻尼力冪指數(shù)。

2.3 結(jié)果分析

采煤機(jī)前后滾筒截煤時(shí)，前滾筒逆時(shí)針截煤，根據(jù)反作用力，則受到向上的截割阻力，同理，后滾筒受到向下的截割阻力，由此可知，采煤機(jī)后半部分作用在中部槽上的力較大。進(jìn)行整機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真，得到受力曲線圖，后平滑靴Z向受力曲線圖（X向與Y向受力較小已忽略）如圖2所示；因?yàn)閷?dǎo)向滑靴與行走輪皆與銷軌接觸，所以將兩者的力求和作用在銷軌上。導(dǎo)向滑靴、行走輪與3節(jié)銷軌的接觸力，將以上兩種力作為中部槽所受外載荷，如圖3所示。

圖2 平滑靴Z向力Fig2 Z-Direction Force of Smooth Boots

圖3 導(dǎo)向滑靴、行走輪與銷軌接觸力Fig3 Contact Force between Guide Slipper Walking Wheel and Pin-rail

3 動(dòng)力學(xué)分析

3.1 接觸模型

在采煤機(jī)實(shí)際行走過(guò)程中，要走過(guò)多節(jié)中部槽，為使研究的問(wèn)題更貼近實(shí)際情況，取3節(jié)中部槽、兩進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。平滑靴、銷軌、銷軌座以簡(jiǎn)化模型作用在中部槽上。為了更準(zhǔn)確地模擬采煤機(jī)行走時(shí)對(duì)中部槽和啞鈴銷的影響，假設(shè)煤巖地面是平整的，即在模型中用底板模擬。由于中部槽模型復(fù)雜，故以中間中部槽和前后啞鈴銷為研究對(duì)象，兩側(cè)中部槽模型簡(jiǎn)化，以方后續(xù)便計(jì)算，如圖4所示。

圖4 啞鈴銷、中部槽裝配模型圖Fig.4 Assembly Model Drawing of Dumbbell Pin and Middle Groove

3.2 有限元模型生成

為模型設(shè)置單元類型、賦予材料屬性，劃分網(wǎng)格等[9]。建立有限元模型，如圖5所示。其中，所有模型均賦予SOLID164單元，將中部槽、啞鈴銷、底板設(shè)置為彈塑性體，平滑靴、銷軌、銷軌座設(shè)置為剛體[10-11]。在采煤機(jī)直線行走作業(yè)時(shí)，中部收稿槽受到的力主要來(lái)自采煤機(jī)、底板支持力等。啞鈴銷受到中部槽施加的彎矩，但它屬于內(nèi)部力矩[12]。在動(dòng)力學(xué)分析中，三節(jié)銷軌分別受Y向力與Z向力，平滑靴受Z向力，三節(jié)銷軌所受的力按時(shí)間順序分別作用在對(duì)應(yīng)銷軌面以模擬采煤機(jī)行走時(shí)施加在中部槽上的力，賦予平滑靴一個(gè)采煤正常行走時(shí)的恒定速度0.28m∕s。

圖5 有限元模型Fig.5 Finite Element Model

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 中部槽受力分析

通過(guò)整理計(jì)算數(shù)據(jù)，得到不同時(shí)刻中部槽、啞鈴銷接觸應(yīng)力云圖、及應(yīng)力、位移曲線。為了更清楚的研究采煤機(jī)對(duì)中部槽、啞鈴銷的作用效果，選取三個(gè)不同時(shí)刻的結(jié)果進(jìn)行分析，即采煤機(jī)分別走過(guò)第一、第二、的三節(jié)銷軌，平滑靴位于中部槽鏟煤板三個(gè)不同位置的時(shí)刻進(jìn)行結(jié)果分析，如圖6所示。

圖6 中部槽等效應(yīng)力云圖Fig.6 Equivalent Stress Nephogram of Middle Groove

2.7s時(shí)中部槽應(yīng)力云圖，如圖6（a）所示。此時(shí)，平滑靴位于中間中部槽左側(cè)鏟煤板，行走輪及導(dǎo)向滑靴行走在第一節(jié)銷軌，依次類推，4.9s和7.2s時(shí)的應(yīng)力云圖，分別是時(shí)間為這兩個(gè)時(shí)刻的平滑靴位置分別為中部槽鏟煤板中間和鏟煤板右側(cè)，如圖6（b）、圖6（c）所示。三個(gè)應(yīng)力云圖可知，高應(yīng)力部位主要集中在啞鈴窩凹凸端頭、鏟煤板和肋板交界處。啞鈴窩凹凸端頭高應(yīng)力來(lái)源主要有兩個(gè)方面，一方面，中部槽凹凸端頭之間需要相互搭接，凸端頭需要搭接在凹端頭上以便于啞鈴銷連接，而中部槽在Y向力的作用下的相互移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致凹凸端頭之間產(chǎn)生力，產(chǎn)生力的作用面分別為凸端頭的外側(cè)及凹端頭的內(nèi)側(cè)。由三個(gè)應(yīng)力云圖可知，端頭處高應(yīng)力部位與理論分析得出高應(yīng)力部位是一致；另一方面，啞鈴銷與中部槽凹凸端頭的相互擠壓也是產(chǎn)生高應(yīng)力的原因之一，中間中部槽與鏟煤板側(cè)兩節(jié)啞鈴銷縱向位移圖，如圖7所示。由圖中可以看出，中部槽的X向位移總體小于啞鈴銷的X向位移，所以，兩者之間一定存在著相互擠壓力。另一個(gè)高應(yīng)力出現(xiàn)的位置是鏟煤板側(cè)肋板根部，且高應(yīng)力位置隨著平滑靴的移動(dòng)而變換位置，由于平滑靴對(duì)鏟煤板向下的作用力，迫使鏟煤板向下產(chǎn)生變形，而肋板的作用則是阻止這種變形，所以出現(xiàn)了高應(yīng)力部位。對(duì)于后槽幫，由圖4可知，作用于銷軌上的Z向力相比于作鏟煤板上的力要小得多，所以它對(duì)中部槽、啞鈴銷的影響是比較小的，高應(yīng)力區(qū)域基本沒(méi)有出現(xiàn)。

圖7 位移曲線Fig.7 Displacement Curve

選取左、右側(cè)啞鈴窩及5節(jié)肋板根部的典型應(yīng)力單元，其中數(shù)字表示5個(gè)肋板根部的典型應(yīng)力單元，應(yīng)力曲線圖，如圖8所示。由圖可以看出，左右側(cè)啞鈴窩受力曲線明顯高于肋板根部，這也導(dǎo)致啞鈴窩成為最容易損壞的部位。由以上分析可知，啞鈴窩、肋板根部為中部槽主要損傷部位，這與實(shí)際工況下中部槽斷裂位置一致，實(shí)際工況下中部槽斷裂位置，如圖9所示。

圖8 典型單元應(yīng)力曲線圖Fig.8 Stress Curve of Typical Elements

圖9 實(shí)際工況下中部槽斷裂位置Fig.9 Fracture Location of Middle Trough Under Actual Working Conditions

3.3.2 啞鈴銷受力分析

取鏟煤板右側(cè)啞鈴銷為例進(jìn)行分析。為3個(gè)不同側(cè)面應(yīng)力云圖，如圖10所示。由圖4可知，啞鈴銷的軸向截面為半圓形，弧形面?zhèn)扰c中部槽凹凸端頭向接觸的，由三個(gè)受力云圖可以看出，隨著時(shí)間的變化，啞鈴銷主要受力部位沒(méi)有太大變化，主要集中在弧形面的截面突變處，最高應(yīng)力為450MPa左右，沒(méi)有超過(guò)材料的屈服極限。在鏟煤板側(cè)，中部槽主要受到來(lái)自平滑靴向下的拉力，會(huì)有向下的變形趨勢(shì)，因此會(huì)對(duì)啞鈴銷產(chǎn)生擠壓導(dǎo)致變形，進(jìn)而產(chǎn)生高應(yīng)力部位。由圖可知，高應(yīng)力部位均位于啞鈴銷大截面與小截面的過(guò)渡位置，由于截面面積突然變小，導(dǎo)致作用力面積隨之減小，故而導(dǎo)致應(yīng)力集中，產(chǎn)生高應(yīng)力部位。

圖10 啞鈴銷等效應(yīng)力云圖Fig10 Equivalent Stress Nephogram of Dumbbell Pin

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由以上分析可知，中部槽最大應(yīng)力位置位于啞鈴窩凹凸端頭處，容易發(fā)生斷裂。中部槽凹凸端頭處厚度較薄，導(dǎo)致與啞鈴銷的接觸面積較小，凹凸端頭處反作用力較大，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此對(duì)凹凸端頭處改進(jìn)，原厚度為70mm，在不改變?cè)冉Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，槽幫弧形處厚度增加量分別設(shè)為6mm、10mm，即厚度變?yōu)?4mm、60mm，如圖11所示。啞鈴銷軸間半徑比較小，為了避免軸間半徑后應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，故不改變它的半徑。改進(jìn)之后，槽幫厚度增加，與啞鈴銷的接觸面積增大。

圖11 槽幫弧形處厚度改善圖Fig.11 Thickness Improvement Diagram of Slot Arc

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)改進(jìn)的效果，在相同的邊界條件下，對(duì)改進(jìn)之后的中部槽-啞鈴銷連接體系重新仿真，查看應(yīng)力分布情況。是改進(jìn)前后中部槽右側(cè)啞鈴窩的典型單元應(yīng)力云曲線圖，如圖12所示。改進(jìn)前典型單元應(yīng)力曲線，如圖12（a）所示，改進(jìn)后的厚度分別為64、60的中部槽，典型單元應(yīng)力曲線，如圖12（b）、圖12（c）所示。由圖中可以看出，改進(jìn)之后，在（4～8）s的時(shí)間段里，最大等效應(yīng)力明顯減小，有利于提高中部槽的使用壽命。所以，在中部槽質(zhì)量增加允許的情況下，可以適當(dāng)考慮增加凹凸端頭的弧形厚度。

圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后典型單元應(yīng)力曲線圖對(duì)比Fig.12 Comparison of Stress Curves of Typical Elements Before and After Structural Optimization

5 結(jié)論

對(duì)中部槽、啞鈴銷進(jìn)行了在采煤機(jī)直線行走工況下的動(dòng)力學(xué)分析，通過(guò)ADAMS分析得出采煤機(jī)作用在中部槽上的載荷，在LS-DYNA中對(duì)中部槽-啞鈴銷連接體系進(jìn)行仿真分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）采煤機(jī)直線割煤時(shí)，中部槽受力較大的位置主要位于啞鈴窩凹凸端頭處及鏟煤板側(cè)的肋板根部，這兩個(gè)位置也是容易發(fā)生斷裂的部位。

（2）啞鈴銷受中部槽的擠壓，高應(yīng)力部位主要出現(xiàn)在軸向的截面突變處。

（3）為了改善受力情況延長(zhǎng)使用壽命，可以考慮增加啞鈴窩凹凸端頭處的槽幫厚度以減小高應(yīng)力區(qū)域，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了方向。