采煤機截割部搖臂殼體瞬態(tài)動力學(xué)分析

陳曉海CHEN Xiao-hai

（陜西彬長大佛寺礦業(yè)公司，咸陽 712000）

0 引言

井下的工作環(huán)境對采煤機截割部搖臂殼體提出較高的要求，進行瞬態(tài)動力學(xué)分析尤為重要。綜合煤巖體的本身特性，決定了在煤礦開采過程中存在著極大的安全風(fēng)險。生產(chǎn)事故的發(fā)生對采煤工作人員的安全和煤礦的開采效率都有惡劣的影響。采煤機截割部主要由搖臂和行星減速機構(gòu)組成，在實際工作中，搖臂承受了來自滾筒的沖擊和振動，但在以往設(shè)計過程中，僅對關(guān)鍵零部件進行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，與實際工作中載荷處于不斷變化的情況不符。

因此，需要對采煤機截割部搖臂殼體瞬態(tài)動力學(xué)進行相應(yīng)的數(shù)值計算，特別是不同工況下的響應(yīng)分析。如果響應(yīng)變化不符合規(guī)律，當(dāng)發(fā)生動力學(xué)參數(shù)發(fā)生異常時，將會對采煤機截割部傳動系統(tǒng)產(chǎn)生損壞，甚至是燒毀電機，嚴(yán)重影響采煤工作生產(chǎn)效率。

滾筒式采煤機的組成主要是由截割部、牽引部、截割電機、驅(qū)動電機、破碎機構(gòu)以及電器設(shè)備等。截割部是滾筒式采煤機構(gòu)的主要機構(gòu)，位于采煤機的機體兩側(cè)，由滾筒、齒輪傳動系統(tǒng)和大功率截割電機組成。扭矩軸的扭斷值設(shè)置的是否合理，直接影響到截割部各個零件的使用壽命。

作為采煤機割煤的主要工作機構(gòu)，截割部在實際工作中處于同一工況時承擔(dān)載荷隨時間不斷變化，則失效以及損壞程度也不盡相同，研究采煤機截割部搖臂殼體瞬態(tài)動力學(xué)對于提升采煤機壽命與生產(chǎn)效率具有重要意義。

1 三維結(jié)構(gòu)模型

虛擬樣機技術(shù)涉及多個學(xué)科，并且，也得到了廣泛的應(yīng)用。其中Solidworks 軟件集建模、求解、可視化技術(shù)于一體，是業(yè)內(nèi)從業(yè)人員進行虛擬樣機建模和仿真的首選。如，通過建立模仿采煤機截割部虛擬樣機可以真實地對截割部的運動過程進行動力學(xué)仿真和分析。

我們采用的建模方法為：先在Solidworks 中進行截割部零件的建模和裝配，并在Solidworks 運動學(xué)仿真的環(huán)境下添加約束和運動副，對Solidworks 建立的搖臂三維模型進行高級仿真，同時將一些對結(jié)構(gòu)影響可忽略不計的倒角、裝配孔簡化掉，對樣機材料進行賦予，并進行網(wǎng)格化劃分，在不影響計算精度的情況下盡量減小計算量。如圖1所示。

圖1 采煤機截割部搖臂殼體

2 邊界條件

在進行柔性體仿真時，需要引入模態(tài)中性文件，Solidworks 軟件自身可直接進行生成，也可通過其他軟件進行導(dǎo)入。目前Solidworks 軟件模態(tài)分析精準(zhǔn)度符合要求，因此本項目使用Solidworks 生成的模態(tài)中性文件。三維實體模型通過Solidworks 建立，將其導(dǎo)入Simulation 模塊中，為降低分析難度，在保證主要結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且不影響主體受力的情況下將實體進行簡化，例如略去某些小孔與倒角，保留重要部位的圓角。對復(fù)雜部位結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格加密，即完成對電牽引采煤機截割部搖臂殼體的柔性化處理。

在生成柔性體時，應(yīng)當(dāng)對回轉(zhuǎn)中心進行處理，使其存在節(jié)點，以作為外部節(jié)點使用。若回轉(zhuǎn)中心處不存在實體，應(yīng)創(chuàng)建關(guān)鍵點，并對其進行網(wǎng)格劃分，從而生成節(jié)點。如圖2，在調(diào)高油缸支撐耳處無實體，則需在中心位置處設(shè)置一節(jié)點，并以其為外部節(jié)點，此節(jié)點可用于創(chuàng)建搖臂殼體和活塞桿之間的運動副。使用柔性體替換剛形體后，原剛形體運動副將自動保存到柔性體相應(yīng)位置。

圖2 柔性化采煤機搖臂殼體模型

在滾筒軸心處創(chuàng)建剛性單元，目的是在進行瞬態(tài)響應(yīng)分析時施加強迫激勵。選擇合適的約束和強迫作用位置，對搖臂鉸接耳自由度進行全部固定，將滾筒軸心處作為強迫作用位置，將所有的自由度設(shè)為強制。對有限元模型進行求解。設(shè)置阻尼參數(shù)，在有阻尼時，振幅和時間呈指數(shù)規(guī)律衰減的關(guān)系，當(dāng)阻尼越大時，振動耗散和振幅衰減得越快。粘性阻尼與速度成正比，結(jié)構(gòu)阻尼與位移成正比，但是在瞬態(tài)響應(yīng)分析中，結(jié)構(gòu)阻尼要轉(zhuǎn)化為等效的粘性阻尼。在施加強迫激勵前，需要做必要的準(zhǔn)備工作，要先把動載荷的激勵測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入，在導(dǎo)入振動激勵測試數(shù)據(jù)前，應(yīng)先轉(zhuǎn)換為Solidworks 能識別的格式。在阻尼參數(shù)的設(shè)置中，振幅隨時間而逐漸衰減，振幅衰減速度和振動耗散速度均與阻尼大小成正相關(guān)，且振幅衰減以指數(shù)規(guī)律進行。粘性阻尼與結(jié)構(gòu)阻尼并非定值，但結(jié)構(gòu)阻尼只有轉(zhuǎn)化為等效的粘性阻尼才可進行瞬態(tài)響應(yīng)分析。

在阻尼參數(shù)的設(shè)置中，振幅隨時間而逐漸衰減，振幅衰減速度和振動耗散速度均與阻尼大小成正相關(guān)，且振幅衰減以指數(shù)規(guī)律進行。粘性阻尼與結(jié)構(gòu)阻尼并非定值，但結(jié)構(gòu)阻尼只有轉(zhuǎn)化為等效的粘性阻尼才可進行瞬態(tài)響應(yīng)分析。應(yīng)先將振動激勵測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為dac、mat、rsp、csv和unv 類的數(shù)據(jù)文件格式，才能在XY 函數(shù)導(dǎo)航器里面將其導(dǎo)入，并施加強迫激勵。

在仿真導(dǎo)航器中新建激勵，并選擇平移節(jié)點，以之前節(jié)點為指定激勵節(jié)點，指定X、Y、Z 方向的節(jié)點時，通過函數(shù)管理器進行設(shè)置。

3 采煤機截割部搖臂瞬態(tài)動力響應(yīng)分析

瞬態(tài)動力學(xué)分析可用于確定結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載荷情況下的隨時間變化的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，目前主要分為三種主要方法：模態(tài)疊加法、減縮法和完全法。模態(tài)疊加法的原理為將所有特征值與因子的積進行相加，從而得出結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。針對大部分問題，模態(tài)疊加法能夠?qū)崿F(xiàn)快速求解并可指定振型阻尼。減縮法利用簡縮矩陣與主自由度對問題規(guī)模進行壓縮，計算出主自由度位置的位移后，即可將解擴展到初始的完整DOF 集上。使用減縮法時，不能使用自動時間步長，時間步長必須保持恒定，所有載荷應(yīng)當(dāng)施加在用戶自定義的自由度上。完全法不使用矩陣減縮，采用完整的系統(tǒng)矩陣計算瞬態(tài)響應(yīng)，可包含塑性、大變形、大應(yīng)變等非線性特性，并可自動設(shè)定主自由度和振型，降低了使用難度，在計算中可一次性獲得所需應(yīng)力與位移，是三種方法中功能最強的方法。本課題采用完全法進行瞬態(tài)動力學(xué)分析。

圖3為等效載荷為1000N 時的等效應(yīng)力圖，從圖中可看出，1 處應(yīng)力最大，為26.22MPa，低于屈服應(yīng)力292MPa，這是由于采煤機搖臂殼體的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，應(yīng)力最大值位于搖臂減速箱和截割電機簡套的交接處，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。結(jié)合實際工作情況，在采煤的過程中，采煤機的側(cè)向力較大，使得此處承擔(dān)較大應(yīng)力。為了緩解應(yīng)力集中，可對此處進行圓角處理或者加厚。2 處位于截面，由于結(jié)構(gòu)特殊，出現(xiàn)了應(yīng)力集中，導(dǎo)致應(yīng)力值偏高，為了緩解應(yīng)力集中，可對此處進行圓角處理。3 處和4 處應(yīng)力值偏高，這是由于調(diào)高油缸與工作時較大的側(cè)應(yīng)力共同導(dǎo)致的，為加強此處承載能力，可將其進行加厚處理。

圖3 等效載荷為1000N 時等效應(yīng)力云圖

圖4為等效載荷為2000N 時的等效應(yīng)力圖，從圖中可看出，1 處應(yīng)力最大，為52.43MPa，低于屈服應(yīng)力292MPa，這是由于采煤機搖臂殼體的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，應(yīng)力最大值位于搖臂減速箱和截割電機簡套的交接處，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。在實際工作環(huán)境中，采煤機的側(cè)向力較大，使得此處承擔(dān)較大應(yīng)力。為了緩解應(yīng)力集中，可對此處進行圓角處理或者加厚。

圖4 等效載荷為2000N 時等效應(yīng)力云圖

2 處位于截面，由于結(jié)構(gòu)特殊，出現(xiàn)了應(yīng)力集中，同1處類似，導(dǎo)致應(yīng)力值偏高，為了緩解應(yīng)力集中，可對此處進行圓角處理。3 處和4 處應(yīng)力值偏高，這是由于調(diào)高油缸與工作時較大的側(cè)應(yīng)力共同導(dǎo)致的，為加強此處承載能力，可將其進行加厚處理。圖5 為等效載荷為3000N 時的等效應(yīng)力圖，從圖中可看出，1 處應(yīng)力最大，為78.65MPa，低于屈服應(yīng)力292MPa，這是由于采煤機搖臂殼體的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，應(yīng)力最大值位于搖臂減速箱和截割電機簡套的交接處，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。結(jié)合實際工作情況，在采煤的過程中，采煤機的側(cè)向力較大，使得此處承擔(dān)較大應(yīng)力。為了緩解應(yīng)力集中，可對此處進行圓角處理或者加厚。2 處位于截面，由于結(jié)構(gòu)特殊，出現(xiàn)了應(yīng)力集中，導(dǎo)致應(yīng)力值偏高，為了緩解應(yīng)力集中，可對此處進行圓角處理。3 處和4 處應(yīng)力值偏高，這是由于調(diào)高油缸與工作時較大的側(cè)應(yīng)力共同導(dǎo)致的，為加強此處承載能力，可將其進行加厚處理。

圖5 等效載荷為3000N 時等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文利用Solidworks 軟件建立采煤機截割部搖臂殼體的三維模型，然后將三維模型導(dǎo)入到Simulation 模塊中，引用動力學(xué)仿真數(shù)據(jù)對采煤機截割部搖臂殼體施加載荷,進行了瞬態(tài)動力學(xué)仿真，確定了在三種不同載荷下采煤機截割部搖臂殼體的等效應(yīng)力云圖，同時對應(yīng)力較大部分進行了分析，并提出改進方案。此外，搖臂殼體整體受力比較均勻，整體情況能夠平穩(wěn)運行，也可說明采煤機截割部搖臂殼體的運行是可行和可靠的，可降低后續(xù)的維修成本和對開采進度的影響。應(yīng)力變化幅度不大這種現(xiàn)象也更加的符合變化規(guī)律和瞬態(tài)動力學(xué)變化規(guī)律，這說明采煤機截割部搖臂殼體不易形成應(yīng)力集中，設(shè)備不容易損壞和降低維修概率，從而為采煤機截割部穩(wěn)定運行及優(yōu)化提供參考價值，主要得到以下結(jié)論。

①采煤機截割部搖臂在1000N、2000N 和3000N 等效載荷作用下，均未超過其屈服應(yīng)力，并遠低于其屈服應(yīng)力值，說明采煤機截割部搖臂設(shè)計過于保守，應(yīng)對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

②ANSYS 模塊化運算，極大程度上方便了采煤機截割部搖臂瞬態(tài)動力學(xué)分析，基于其精確的應(yīng)力分析結(jié)果，提高了分析精度。

③采煤機截割部搖臂在搖臂減速箱和截割電機簡套的交接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，在設(shè)計過程中可對其進行圓角處理，緩解應(yīng)力集中情況，增加使用壽命。