采煤機行走輪參數化分析軟件設計

康　健

（太重煤機有限公司，山西 太原 030024）

采煤機行走輪參數化分析軟件設計

康健

（太重煤機有限公司，山西 太原 030024）

摘 要針對電牽引采煤機漸開線行走輪在ANSYS分析中存在的問題，提出運用APDL語言命令直接建模，并通過VB與ANSYS的交互運行途徑，設計了基于VB界面和程序的軟件，實現了利用VB界面直接輸入參數并調用ANSYS對行走輪自動建模、加載和計算的有限元分析。驗證結果表明，該軟件減少了設計人員的重復勞動，提高了行走輪的設計效率和水平，具有一定的工程實用價值。

關鍵詞漸開線行走輪；交互運行；ANSYS；VB

現代長壁工作面采煤機是綜采工作面關鍵設備之一。采煤機每一個零部件的正常工作與否直接影響到采煤機的正常工作乃至整個工作面的正常生產，大多采用行走輪與銷排嚙合實現行走，采煤機行走輪既是一個關鍵零件又是個整機的薄弱環節，是最易發生故障的部件之一，其非正常斷裂嚴重影響著采煤機機組的正常運行，因此，盡可能準確地設計出行走輪的結構尺寸是從根本上解決問題的關鍵。目前，大多數設計單位的設計分析都是采用在三維軟件中建模后導入有限元分析軟件（以ANSYS用的較多）進行分析，再在ANSYS中賦予材質、施加約束、加載載荷，非常耗時。本文力圖運用有著良好開發界面優點的VB并結合具有強大分析功能的ANSYS開發出一種專用分析軟件，實現在VB界面中輸入行走輪結構參數和載荷參數，一鍵即可調用ANSYS進行分析，得出此種大模數齒輪在載荷作用下的應力、應變響應情況，為行走輪的設計提供技術參考，達到節省設計時間和人力，降低設計成本，提高設計水平的目的。

1　模型分析與建立

1.1幾何模型分析

目前，采煤機無鏈牽引機構中，主動輪－齒軌式性能最佳，也最為常見。由于漸開線齒廓比擺線齒廓更容易保證計算準確性，國內外采煤機多采用與大節距銷排嚙合的漸開線齒廓行走輪?，F以使用比較廣泛的漸開線行走輪為例，從理論上分析，這種行走輪的嚙合傳動特征屬于非共軛嚙合，因而其傳動比是非恒定的，在傳動過程中兩個齒交替嚙合時傳動比會發生突變。

1.2ANSYS建模

ANSYS是Analysis System的縮寫，是一種廣泛性的商業套裝工程分析軟件，由世界上著名的有限元分析軟件公司ANSYS開發，能與大多數CAD軟件結合使用，實現數據共享和交換。基本功能有：結構靜力分析、結構動力學分析、結構非線性分析等，高級功能有多物理場耦合分析、優化設計、拓撲優化等。

對于簡單的模型，可以在ANSYS里直接建模，對于特別復雜的模型，建立過程復雜且工作量大，對于專于行走輪結構設計的人員一般存在一定的難度。經過分析和試驗摸索出了一套建模的方法，運用該方法不僅能避免使用第三方三維造型軟件帶來的建模操作的麻煩，也容易實現在ANSYS軟件中建模的參數化，同時節約了分析時間，更能使使用者在無需會使用造型軟件和ANSYS軟件的情況下對模型進行分析，有利于有限元分析軟件的廣泛應用與普及。

1.2.1在ANSYS中建立漸開線的方法

行走輪的結構雖然較為復雜，但實體建模一般可按照自下而上建模原則并結合布爾運算完成，最難的建模工作在于漸開線齒廓的創建，現將該部分命令流給出如下：

csys，4！激活工作坐標系

wprot，－angle3，0，0！初始偏轉角度

K，1，0，0！繪制原點（編號為1）

*do，t，0，1，0.01！循環描點操作

*SET，x，rb*（cos（t）＋t*sin（t））！計算漸開線離散點x坐標

*SET，y，rb*（sin（t）－t*cos（t））！計算漸開線離散點y坐標

k，，x，y，0！開始描點

*enddo

flst，3，101，3！連點成線開始

*do，t，2，102

fitem，3，t

*enddo

bsplin，，p51x！實施多意線連點成線

1.2.2力學模型建立

行走輪的彎曲應力和接觸應力是典型的非線性問題，傳統的計算設計方法是將非線性問題進行一定的簡化和假設，近似成線性問題處理，以采煤機行走輪的齒根彎曲應力為例，傳統的計算方法計算得到的應力一般偏大，按此設計的行走輪承載能力存在浪費，而擅長求解非線性問題的ANSYS軟件則可以較好地解決這個問題。力學模型的建立關系到分析的準確程度和成敗，一般對行走輪的齒根彎曲強度和接觸強度分析可總結為兩條路徑：一種是直接給行走輪頂加最大載荷，分析齒根彎曲強度，在這種方法中，由于齒頂齒面的壓力角的影響，要把牽引阻力轉換后再以正壓力的方式施加，期間涉及人工計算較為繁瑣和耗時；另一種先定義一個接觸對，采用瞬態動力學分析行走輪嚙合過程中的響應變化，雖然避免了上述計算，但后者由于載荷步數多，使計算機計算的時間變長，而且行走輪在實際工作中轉速不高，嚙入嚙出較為緩慢，采取最大載荷時狀態進行靜力學分析已經能夠非常逼近實際工作情況。對比兩者的優劣性后，將二者優點結合建立一種接觸對模型，該模型模擬并反映行走輪實際工作中剛剛嚙入時也是載荷沖擊最大時的工作狀態，同時從安全角度考慮，假設所有牽引阻力全部加載在一對齒上。

2　軟件功能與程序流程圖

2.1軟件功能

由于VB擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應用程序開發（RAD）系統，程序員可以輕松地使用VB提供的組件快速建立一個應用程序?；谲浖旧淼娜蝿赵O計了以下功能（見圖1）.

圖1　軟件功能示意圖

2.2程序流程圖

程序流程圖見圖2.

圖2　程序流程圖

2.3窗口界面設計

良好的界面能夠準確而快速地傳遞給使用者各種提示信息，據軟件所設置的功能并結合軟件開發原理，該軟件界面設計成了參數輸入和結果輸出與查看兩個界面，見圖3，圖4.結構分析中，最關心的是應力、應變響應情況，ANSYS計算結果中的等值云圖使構件對外載荷的響應一目了然，將這些信息以圖片形式實行存儲，然后在VB中通過創建一個包含image控件和控制按鈕的結果輸出窗口，通過編寫相應的程序就可調用所需的云圖并顯示，從而實現非常便捷的查看行走輪的承載能力的目的。

3　VB與ANSYS交互運行設置與實現

3.1VB啟動ANSYS過程

高級計算機語言VB擁有比較豐富的函數調用功能，不但允許用戶對內部函數調用，還可以調用其他能在DOS和Windows下運行的應用程序，這里利用它的Shell函數調用ANSYS，進而實現啟動ANSYS，方法是在VB程序塊中寫入以下命令即可完成調用。Star＝Shell（“c：＼Program Files＼Ansys Inc＼v100＼ANSYS＼bin＼intel＼ansys100.exe－g－i d：＼Gear＼Gear_anly.txt”）

其中：1）Star—任意的英文字母，用于接受函數的返回值。2）c：＼Program Files＼Ansys Inc＼v100＼ANSYS＼bin＼intel＼ansys100.exe—ANSYS的安裝路徑，本文中所使用的版本為ANSYS10.0.3）d：＼Gear＼Gear _anly.txt—ANSYS啟動后所接受到的命令流所在的*.txt文件名稱和文件路徑。

3.2VB界面參數向后臺ANSYS傳遞過程

軟件能否運行成功，實現ANSYS按照輸入參數正確的建模、劃分網格和計算等操作，在于VB界面中的參數能否正確傳遞給ANSYS軟件。VB對二進制文件的打開、關閉和讀寫操作非常方便，查相關教材就可得到使用方法。這里采用以下方法將在VB界面的行走輪幾何參數、載荷參數以及材質屬性等數據首先寫入一個*.txt文件中，文件中每一個參數都要賦予一個專用的英文字母代號，同時注意每一條命令流后面應追加一個回車符表示一條命令的結束，如此形成APDL命令流文件，方便在ANSYS中進行參數化建模和計算時用調用。

圖3　輸入界面圖

圖4　顯示界面圖

以上操作的主要程序指令：

Open＂d：＼Gear＼Gear_anly_head.txt＂For Output As＃1‘打開一個文件

Print＃1，＂／prep7＂

Print＃1，＂Z＝＂；Form2.Text1.Text；‘寫入參數Z

Print＃1，＂D＝＂；Form2.Text2.Text；‘寫入參數D

……

Close＃1‘文件寫結束，關閉文件

其中，Gear_anly_head.txt是將要寫入以上內容的文件的名稱。

然后再在此文件內容后追加通用操作命令流，其內容包括幾何建模、劃分網格、定義材質、施加載荷，施加約束、計算和后處理操作。

追加內容的程序指令與說明：

Open＂d：＼Gear＼Gear_anly_head.txt＂For Input As＃2‘打開一個Gear_anly_head.txt文件

Open＂d：＼Gear＼Gear_anly_base.txt＂For Append As＃1‘打開另一個Gear_anly_base.txt文件

Do While Not EOF（1）‘判斷是否是文件最后一行

Line Input＃1，TextLine‘讀1＃文件到內存

Print＃2，TextLine‘寫入2＃文件

Loop

Close＃1‘文件寫結束，關閉1＃文件

Close＃2‘文件寫結束，關閉2＃文件

其中，Gear_anly_base.txt文件中的內容包括建模、劃分網格、施加約束等命令，需要事先寫入并按照上述路徑保存在某計算機硬盤。

3.3輸出結果

以下是生成等值應變云圖的主要指令：

／REPLOT

jpgprf，700，300，1！定義圖片格式（背景、大小）

／show，jpeg！生成圖片

plnsol，u，sum，0，1，0！設置為應變輸出

4　實例分析

某電牽引采煤機行走輪主體材質是17Cr2Ni2Mo，有關參數見表1.

4.1理論計算

行走輪應力計算可以按照齒輪計算，其中彎曲應

力計算公式為：

式中：σF—彎曲應力，Pa；

Ft—圓周力，N；

YFa—齒形系數；

Ysa—應力修正系數；

Yε—重合度系數；

Yβ—螺旋角系數；

KA—使用系數；

KV—動載荷系數；

KFβ—齒向載荷分布系數；

KFα—齒間載荷分布系數；

b—齒寬，mm；

m—法向模數.

計算系數選取表見表2.

表2　計算系數選取表

根據以上可計算齒根彎曲應力：σF＝248.3 MPa.

4.2軟件計算與比較

經過軟件分析，最終的應力情況見圖5.經比較可發現軟件計算分析得出的應力云圖最大值約為239 MPa，與理論分析結果基本相符，又用ANSYS直接進行分析，得出的結果與軟件分析結果基本相同。

表1　計算參數表

圖5　最終應力情況云圖

該軟件將VB豐富的函數調用指令以及面向對象的開發環境優勢與ANSYS的基于APDL命令流方便的進行參數化建模和計算的優點結合，能夠實現在無需人工進行三維建模軟件操作和ANSYS操作的情況下即可完成行走輪的分析，提高了設計效率和設計水平，使設計人員避免了重復性勞動，有利于設計者節省時間和精力來進行行走輪的結構優化工作，為設計出具有更高可靠性和更好經濟效益的行走輪提供了新的工具。

5　結 語

分析了電牽引采煤機漸開線行走輪在ANSYS分析中存在的問題，給出運用APDL語言命令直接建模的方法，探索了VB與ANSYS聯合運行與數據傳遞的方法，設計了VB界面、擬定程序流程圖，編制了整套程序，并對最終軟件進行了調試、驗證。結果表明，開發出的專業軟件可減少設計人員的重復性勞動，提高行走輪設計效率和設計水平，具有一定的工程實用價值。

參 考 文 獻

［1］ 劉偉忠.關于采煤機行走輪的分析［J］.煤炭技術，2008（8）：64－65.

［2］ 宋學平.采煤機行走輪齒廓研究［J］.煤礦機電，2008（2）：44－45.

［3］ 馮建軍.淺析采煤機行走輪輪齒斷齒現象［J］.煤礦機電，2008（1）：35－36.

中圖分類號：TD63＋2.1

文獻標識碼：B

文章編號：1672－0652（2015）02－0053－04

收稿日期：2014－12－22

作者簡介：康 健（1963—），男，山西太原人，1985年畢業于太原科技大學，工程師，主要從事煤礦機械設計銷售工作（E－mail）kj18935128681＠163.com

Design of Parameterization Analysis Software in Shearer Walking Wheel

KANG Jian

AbstractAiming at the existing problem of electric traction shearer involute walking wheel on ANSYS analysis，presents direct modeling by using APDL language command，through interactive operation way between VB and ANSYS，designs a software that based on VB interface and program，realizes the direct input parameters using VB interface，and works out the finite element analysis for direct modeling，loading and calculating of walking wheel with ANSYS.Verification results show that the software reduces the rehandling of designers，improves the design efficiency and design level of walking wheel，it has a certain engineering practical value.

Key wordsInvolute walking wheel；Interactive operation；ANSYS；VB