基于SolidWorks Simulation 采煤機(jī)截割部搖臂殼體動(dòng)力學(xué)分析

陳曉海CHEN Xiao-hai；張浩ZHANG Hao

（①陜西彬長(zhǎng)大佛寺礦業(yè)公司，咸陽(yáng)712000；②河北科技大學(xué)，石家莊050018）

0 引言

目前我國(guó)煤炭行業(yè)快速發(fā)展，這離不開(kāi)煤炭類(lèi)機(jī)械的廣泛使用，通過(guò)綜合機(jī)械化設(shè)備的推廣，國(guó)內(nèi)采煤效率有了大幅提升。采煤機(jī)是煤炭開(kāi)采中常用的一種大型綜合式機(jī)械，目前世界各國(guó)使用的采煤機(jī)主要類(lèi)型有：滾筒式、螺旋式、鏈?zhǔn)?、連續(xù)式。采煤機(jī)不僅可以提高開(kāi)采效率，還能減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，在開(kāi)采安全性上也有更充分的保障。

由于煤礦復(fù)雜的工作環(huán)境，煤礦開(kāi)采過(guò)程中時(shí)常發(fā)生安全事故，這對(duì)煤礦生產(chǎn)效率造成了極其嚴(yán)重的影響。在采煤機(jī)工作過(guò)程中，防爆電機(jī)將動(dòng)力傳送給截割電機(jī)，由截割電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而在煤巖體中常常存在夾矸層，使得截割電機(jī)不可避免地出現(xiàn)負(fù)載不穩(wěn)定的情況。因此，截割部搖臂的性能需要充分驗(yàn)證，以保障采煤機(jī)能夠長(zhǎng)時(shí)間正常工作。

在煤礦機(jī)械中，采煤機(jī)截割部搖臂殼體所處工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，承受交變應(yīng)力作用，搖臂殼體往往產(chǎn)生應(yīng)力集中及變形，嚴(yán)重影響采煤機(jī)截割部搖臂的正常工作。本文采用有限元法對(duì)采煤機(jī)截割部搖臂殼體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得出應(yīng)力變化規(guī)律及模態(tài)振型，為采煤機(jī)截割部的穩(wěn)定運(yùn)行及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。

1 三維結(jié)構(gòu)模型

在利用軟件進(jìn)行分析時(shí)，通常有兩種方法可進(jìn)行分析前的三維建模，一種是在ANSYS 的APDL 中建模，另一種則是利用Soildworks 或者UG 等專業(yè)建模軟件進(jìn)行三維實(shí)體的繪制。采用第一種方法時(shí)，主要采用參數(shù)化建模，從點(diǎn)開(kāi)始，依次建立線、面、體，所需過(guò)程比較繁瑣，需要很長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行建模，但有利于圖形間拓?fù)潢P(guān)系的穩(wěn)定傳遞，進(jìn)一步保證了網(wǎng)格劃分時(shí)的質(zhì)量，也有利于更改不合適的建模位置。第二種方法可以保證更快地進(jìn)行建模，對(duì)于零件間的裝配關(guān)系可以更細(xì)致地設(shè)置，建模完成之后，可直接在Soildworks 中進(jìn)行分析?？紤]到整車(chē)零件較多，且分析目標(biāo)零件只占全車(chē)一小部分，因此選用Soildworks 進(jìn)行三維建模。

運(yùn)用SolidWorks軟件進(jìn)行采煤機(jī)截割部搖臂殼體的建立，如圖1 所示，材料的屬性為：彈性模量E=200GPa， 密 度 ρ =7800kg/m3，泊松比μ=0.3。模塊化建模時(shí)，不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)采煤機(jī)截割部搖臂殼體三維模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，忽略了一些螺紋孔。圖2為網(wǎng)格化的采煤機(jī)截割部搖臂殼體。

圖1 采煤機(jī)截割部搖臂殼體

圖2 網(wǎng)格化的采煤機(jī)截割部搖臂殼體

隨著大型采煤機(jī)截割部搖臂殼體機(jī)組應(yīng)用的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與仿真技術(shù)的發(fā)展，采煤機(jī)截割部搖臂殼體組的建模方法日益完善，目前針對(duì)其建模的方法主要有多體動(dòng)力學(xué)法、模態(tài)分析法以及有限元法三種。多體動(dòng)力學(xué)法對(duì)于彈性變形以及大變形的分析中具有更高優(yōu)勢(shì)，使用的單元更少，計(jì)算效率更高，即使同時(shí)計(jì)算位移與變形，也能保持相當(dāng)高的精度。因此本模型采用多體動(dòng)力學(xué)法。模態(tài)分析法通過(guò)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比等模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)分析等提供主要依據(jù)。在具體機(jī)械結(jié)構(gòu)中，較好自由度的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性可使用模態(tài)分析，但在柔性系統(tǒng)中，模態(tài)分析不能精確預(yù)測(cè)幾何非線性產(chǎn)生的效果，往往會(huì)出現(xiàn)較大誤差。有限元法計(jì)算精度較高，適用于較多自由度的結(jié)構(gòu)，在柔性系統(tǒng)中也有較廣泛的應(yīng)用，但不適合系統(tǒng)的整機(jī)建模。綜合以上三種方法，本模型采用多體動(dòng)力學(xué)方法建模。

2 靜應(yīng)力分析

在對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行的分析中，需要建立高質(zhì)量的模型，并對(duì)模型施加比較準(zhǔn)確的邊界條件，才可能得出精確度高的計(jì)算結(jié)果。多體動(dòng)力學(xué)法常用于計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)相關(guān)的以下三大類(lèi)問(wèn)題。①靜力學(xué)問(wèn)題。在靜態(tài)載荷保持不變的作用下，求解結(jié)構(gòu)的整體后者零部件的位移和應(yīng)力分布，根據(jù)模型對(duì)強(qiáng)度，剛度的要求進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算的精度和時(shí)間都與模型的網(wǎng)格疏密成正比。②瞬態(tài)分析。在不同載荷的作用下，結(jié)構(gòu)的邊界條件會(huì)伴隨時(shí)間的變化而變化，求解在這個(gè)變化過(guò)程中，模型中各個(gè)部分受力情況的變化，并總結(jié)在這個(gè)過(guò)程中研究所關(guān)心位置的應(yīng)力應(yīng)變情況。③穩(wěn)定性分析。當(dāng)載荷強(qiáng)度增大到一定的程度，而使整個(gè)結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定或者個(gè)別構(gòu)件局部失去穩(wěn)定性，在這種情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定性分析，使得在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中預(yù)防結(jié)構(gòu)部件屈曲失穩(wěn)的發(fā)生。

在機(jī)械結(jié)果問(wèn)題中，有限元法的求解步驟基本相同，但是對(duì)于物理意義差距較大或者數(shù)學(xué)模型建立的不相同的情況下，具體問(wèn)題需要進(jìn)行具體分析，具體推導(dǎo)公式和求解運(yùn)算不一定相同，通常的求解步驟如下：

首先，根據(jù)所要求解的實(shí)際問(wèn)題，近似確定解的區(qū)域以及該區(qū)域的物理性質(zhì)，對(duì)近似確定的該區(qū)域進(jìn)行離散化處理，將其離散成大小、形狀規(guī)則，并且數(shù)量有限的單元，這些單元之間能夠彼此相連。再構(gòu)造出需要求解的具體問(wèn)題，可以使用具有邊界條件的微分方程來(lái)表示具體問(wèn)題，并通過(guò)微分化處理將其化為等價(jià)的泛函形式，以方便求解運(yùn)算。為了使得到的解析解具有收斂性，在對(duì)離散后的單元進(jìn)行推導(dǎo)時(shí)，需要遵守一些原則，例如，對(duì)機(jī)械工程上的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題來(lái)說(shuō)，每一種單元的解題性能和約束條件對(duì)解具有十分大的影響，應(yīng)當(dāng)十分注意這兩點(diǎn)，另外，在選擇單元形狀時(shí)要選擇較為規(guī)則的，以方便求解運(yùn)算。對(duì)離散化單元進(jìn)行總裝，形成聯(lián)合方程組，對(duì)聯(lián)合方程組使用多種求解方法，比如直接求解法、迭代求解法和隨機(jī)求解法，近似的求解出單元結(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的近似值，通過(guò)與設(shè)計(jì)的允許值進(jìn)行比較，來(lái)確定計(jì)算精度。

經(jīng)過(guò)不同工況分析可得，取平均值的施加扭矩為1000N·m，得出應(yīng)力變化云圖，如圖3。圖中應(yīng)力最大值為1.416×106Pa，無(wú)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，其他結(jié)構(gòu)孔無(wú)紅色區(qū)域，沒(méi)有明顯應(yīng)力變化幅度較大的情況，整體情況能夠平穩(wěn)運(yùn)行。因此，采煤機(jī)截割部搖臂殼體的運(yùn)行是可靠的。

圖3 應(yīng)力變化云圖

3 模態(tài)分析

模態(tài)特性作為一種固有屬性，只與材料和自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，前幾階固有頻率和對(duì)應(yīng)的振型可作為設(shè)計(jì)的重要參考，為了不發(fā)生共振效應(yīng)，必須保證機(jī)械零部件在作業(yè)中的工作頻率不能逼近任何一階的固有頻率。模態(tài)分析主要用來(lái)研究激勵(lì)作用下的應(yīng)力與位移情況。目前模態(tài)分析方法有兩種，一種是實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)得到零部件的模態(tài)特性，另一種是計(jì)算模態(tài)法，即通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)零部件進(jìn)行分析，從而得到各階模態(tài)特性，本文選用第二種方法，計(jì)算模態(tài)法可在設(shè)計(jì)階段就能夠針對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并且在后期還可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)系統(tǒng)故障診斷。

模態(tài)分析作為機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析中的第一步，可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型兩個(gè)結(jié)果，當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及材料確定之后，固有頻率就會(huì)確定，因此得到了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，即可對(duì)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)以及故障診斷。通過(guò)分析模態(tài)頻率以及振型圖，可以充分了解各階的應(yīng)力以及位移情況。采煤機(jī)截割部搖臂殼體組的振動(dòng)特性主要是運(yùn)用模態(tài)分析法進(jìn)行研究。

根據(jù)模態(tài)分析理論，任何結(jié)構(gòu)的固有頻率數(shù)目趨近于無(wú)窮多個(gè)，可按照階數(shù)從小到大排列，一階頻率即為最小頻率值。但在實(shí)際分析過(guò)程中，無(wú)需得出結(jié)構(gòu)的所有固有頻率并進(jìn)行分析，可去前幾階固有頻率進(jìn)行參考分析，這是由于高階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響極小可忽略不計(jì)，在實(shí)際工程中以前幾階固有頻率分析為主，因此本文的模態(tài)分析只考慮前五階模態(tài)。

如表1 所示，前五階模態(tài)分別對(duì)應(yīng)各自頻率，如果在采煤機(jī)截割部搖臂殼體作業(yè)時(shí)受到的激勵(lì)頻率與各階模態(tài)頻率相近時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致采煤機(jī)截割部搖臂殼體發(fā)生共振，從而引發(fā)變形甚至損壞，因此在采煤機(jī)截割部搖臂殼體作業(yè)時(shí)，激勵(lì)頻率應(yīng)當(dāng)避開(kāi)這些模態(tài)頻率。

表1

搖臂殼體前5 階模態(tài)振型如圖4-圖8 所示。第1 階模態(tài)振型特征為搖臂殼體和齒輪傳動(dòng)箱沿垂直于采煤機(jī)牽引方向并指向煤壁方向彎曲振動(dòng)，最大振幅出現(xiàn)在搖臂殼體下部；第2 階模態(tài)振型特征為搖臂殼體和齒輪傳動(dòng)箱沿采煤機(jī)牽引反方向彎曲振動(dòng)，最大振幅出現(xiàn)在搖臂殼體下部側(cè)面；第3 階模態(tài)振型特征為搖臂殼體和齒輪傳動(dòng)箱繞采煤機(jī)牽引方向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，最大振幅出現(xiàn)在搖臂殼體下部正面；第4 階模態(tài)振型特征為搖臂殼體整體繞重力方向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，最大振幅出現(xiàn)在搖臂殼體中間較小區(qū)域；第5階模態(tài)振型特征為搖臂殼體下部和齒輪傳動(dòng)箱沿繞重力方向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，最大振幅出現(xiàn)在搖臂殼體下部，幅值為1.685mm。

圖4 第一階模態(tài)振型

圖8 五階模態(tài)振型

圖5 第二階模態(tài)振型

圖6 第三階模態(tài)振型

4 結(jié)語(yǔ)

圖7 第四階模態(tài)振型

本文對(duì)采煤機(jī)截割部搖臂殼體進(jìn)行三維建模、靜應(yīng)力分析以及模態(tài)分析，可以得到主要結(jié)論。①采煤機(jī)截割部搖臂殼體進(jìn)行靜應(yīng)力分析，得出應(yīng)力變化幅度不大，符合變化規(guī)律，該規(guī)律符合動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律，不易形成應(yīng)力集中，從而為采煤機(jī)截割部穩(wěn)定運(yùn)行及優(yōu)化提供參考價(jià)值。②通過(guò)對(duì)采煤機(jī)截割部搖臂殼體進(jìn)行模態(tài)分析可知，前5階模態(tài)振型中振幅最大部位均位于齒輪傳動(dòng)箱和搖臂殼體下部區(qū)域，其中以搖臂殼體下部區(qū)域最為集中，可在此位置進(jìn)行優(yōu)化，從而加強(qiáng)采煤機(jī)截割部搖臂殼體的整體強(qiáng)度。③后續(xù)可在本文靜力學(xué)分析以及模態(tài)分析的基礎(chǔ)上考慮更多外界因素的影響，例如增加對(duì)采煤機(jī)截割部搖臂殼體的諧響應(yīng)分析以及疲勞分析，從而能夠更加全面地了解采煤機(jī)截割部搖臂殼體的性能。