采煤機(jī)截割部搖臂殼體瞬態(tài)動(dòng)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(jī)截割部搖臂殼體提出較高的要求，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)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(xiǎn)。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(jī)截割部主要由搖臂和行星減速機(jī)構(gòu)組成，在實(shí)際工作中，搖臂承受了來自滾筒的沖擊和振動(dòng)，但在以往設(shè)計(jì)過程中，僅對關(guān)鍵零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，與實(shí)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(jī)截割部搖臂殼體瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值計(jì)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(dòng)力學(xué)參數(shù)發(fā)生異常時(shí)，將會(huì)對采煤機(jī)截割部傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生損壞，甚至是燒毀電機(jī)，嚴(yán)重影響采煤工作生產(chǎn)效率。

滾筒式采煤機(jī)的組成主要是由截割部、牽引部、截割電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、破碎機(jī)構(gòu)以及電器設(shè)備等。截割部是滾筒式采煤機(jī)構(gòu)的主要機(jī)構(gòu)，位于采煤機(jī)的機(jī)體兩側(cè)，由滾筒、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和大功率截割電機(jī)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(gè)零件的使用壽命。

作為采煤機(jī)割煤的主要工作機(jī)構(gòu)，截割部在實(shí)際工作中處于同一工況時(shí)承擔(dān)載荷隨時(shí)間不斷變化，則失效以及損壞程度也不盡相同，研究采煤機(jī)截割部搖臂殼體瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)對于提升采煤機(jī)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(jī)技術(shù)涉及多個(gè)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(jìn)行虛擬樣機(jī)建模和仿真的首選。如，通過建立模仿采煤機(jī)截割部虛擬樣機(jī)可以真實(shí)地對截割部的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真和分析。

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

圖1 采煤機(jī)截割部搖臂殼體

2 邊界條件

在進(jìn)行柔性體仿真時(shí)，需要引入模態(tài)中性文件，Solidworks 軟件自身可直接進(jìn)行生成，也可通過其他軟件進(jìn)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(xiàng)目使用Solidworks 生成的模態(tài)中性文件。三維實(shí)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(shí)體進(jìn)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(jìn)行網(wǎng)格加密，即完成對電牽引采煤機(jī)截割部搖臂殼體的柔性化處理。

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

圖2 柔性化采煤機(jī)搖臂殼體模型

在滾筒軸心處創(chuàng)建剛性單元，目的是在進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析時(shí)施加強(qiáng)迫激勵(lì)。選擇合適的約束和強(qiáng)迫作用位置，對搖臂鉸接耳自由度進(jìn)行全部固定，將滾筒軸心處作為強(qiáng)迫作用位置，將所有的自由度設(shè)為強(qiáng)制。對有限元模型進(jìn)行求解。設(shè)置阻尼參數(shù)，在有阻尼時(shí)，振幅和時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律衰減的關(guān)系，當(dāng)阻尼越大時(shí)，振動(dòng)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(qiáng)迫激勵(lì)前，需要做必要的準(zhǔn)備工作，要先把動(dòng)載荷的激勵(lì)測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入，在導(dǎo)入振動(dòng)激勵(lì)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(shí)間而逐漸衰減，振幅衰減速度和振動(dòng)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(jìn)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(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析。

在阻尼參數(shù)的設(shè)置中，振幅隨時(shí)間而逐漸衰減，振幅衰減速度和振動(dòng)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(jìn)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(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析。應(yīng)先將振動(dòng)激勵(lì)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(qiáng)迫激勵(lì)。

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

3 采煤機(jī)截割部搖臂瞬態(tài)動(dòng)力響應(yīng)分析

瞬態(tài)動(dòng)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(shí)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(jìn)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(jìn)行壓縮，計(jì)算出主自由度位置的位移后，即可將解擴(kuò)展到初始的完整DOF 集上。使用減縮法時(shí)，不能使用自動(dòng)時(shí)間步長，時(shí)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(jì)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(dòng)設(shè)定主自由度和振型，降低了使用難度，在計(jì)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(qiáng)的方法。本課題采用完全法進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。

圖3為等效載荷為1000N 時(shí)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(jī)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(jī)簡套的交接處，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。結(jié)合實(shí)際工作情況，在采煤的過程中，采煤機(jī)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(jìn)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(jìn)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(shí)較大的側(cè)應(yīng)力共同導(dǎo)致的，為加強(qiáng)此處承載能力，可將其進(jìn)行加厚處理。

圖3 等效載荷為1000N 時(shí)等效應(yīng)力云圖

圖4為等效載荷為2000N 時(shí)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(jī)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(jī)簡套的交接處，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。在實(shí)際工作環(huán)境中，采煤機(jī)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(jìn)行圓角處理或者加厚。

圖4 等效載荷為2000N 時(shí)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(jìn)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(shí)較大的側(cè)應(yīng)力共同導(dǎo)致的，為加強(qiáng)此處承載能力，可將其進(jìn)行加厚處理。圖5 為等效載荷為3000N 時(shí)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(jī)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(jī)簡套的交接處，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。結(jié)合實(shí)際工作情況，在采煤的過程中，采煤機(jī)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(jìn)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(jìn)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(shí)較大的側(cè)應(yīng)力共同導(dǎo)致的，為加強(qiáng)此處承載能力，可將其進(jìn)行加厚處理。

圖5 等效載荷為3000N 時(shí)等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文利用Solidworks 軟件建立采煤機(jī)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(dòng)力學(xué)仿真數(shù)據(jù)對采煤機(jī)截割部搖臂殼體施加載荷,進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真，確定了在三種不同載荷下采煤機(jī)截割部搖臂殼體的等效應(yīng)力云圖，同時(shí)對應(yīng)力較大部分進(jìn)行了分析，并提出改進(jìn)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(yùn)行，也可說明采煤機(jī)截割部搖臂殼體的運(yùn)行是可行和可靠的，可降低后續(xù)的維修成本和對開采進(jìn)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(dòng)力學(xué)變化規(guī)律，這說明采煤機(jī)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(jī)截割部穩(wěn)定運(yùn)行及優(yōu)化提供參考價(jià)值，主要得到以下結(jié)論。

①采煤機(jī)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(yuǎn)低于其屈服應(yīng)力值，說明采煤機(jī)截割部搖臂設(shè)計(jì)過于保守，應(yīng)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

②ANSYS 模塊化運(yùn)算，極大程度上方便了采煤機(jī)截割部搖臂瞬態(tài)動(dòng)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(jī)截割部搖臂在搖臂減速箱和截割電機(jī)簡套的交接處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，在設(shè)計(jì)過程中可對其進(jìn)行圓角處理，緩解應(yīng)力集中情況，增加使用壽命。