（机械设计及理论专业论文）基于ansys的采煤机截割部摇臂结构有限元分析.pdf

ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g s t r u c t u r ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t h esh e a r e rc u t t i n gr a n g i n ga r mba s e o na nsys c a n d i d a t e s u p e r v i s o r s p e c i a l i t y a nx i n g w e i p r o f w uw e i d o n g m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y h e i l o n g ji a n gi n s t i t u t eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y h a r b i n ，p r c h i n a ，15 0 0 2 7 j u n e2 0 1 0 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得黑龙江科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：望丝坌同 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保 留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊 登) 授权黑龙江科技学院研究生处办理。 研究生签名：美必师签名：研究生签名：缈螈师签名： 犯选日 黑龙江科技学院硕士学位论文 摘要 由于采煤机的工作环境恶劣，无论是采煤机的机械传动部件、 液压传动部件、电器元件，还是摇臂、截割滚筒等，都会因采煤机 受到的载荷过大而出现故障。采煤机截割部承受载荷较大，使截割 部摇臂产生变形、扭转振动等，甚至局部发生断裂。采煤机截割部 摇臂不仅是滚筒的调高部件，而且是传递动力的减速箱，其内部有 轴、齿轮等传动部件，由于摇臂壳体产生变形，对齿轮传动系统产 生较大影响，所以要求摇臂要有足够的强度和刚度。本文以 m g 6 10 14 0 0 w d 系列采煤机的截割部摇臂为主要研究对象，运用有 限元方法对其结构进行应力分析。 利用三维建模软件u g 建立采煤机截割部摇臂壳体的实体模型， 通过i g e s 格式，将该模型导入有限元分析软件a n s y s 中，建立采 煤机截割部摇臂壳体的有限元模型。 本文针对采煤机工作时的四种特殊工况进行分析，通过应用 a n s y s 软件对摇臂进行有限元静力分析，获得摇臂壳体的应力和变 形状态，得到摇臂壳体上最大应力和最大应变，进一步研究表明通 过合理修改应力集中区域的过渡尺寸能有效改善其应力集中的现 象。通过提取轴孔的变形量数据研究，轴孔较大的相对变形对齿轮 传动将产生影响。对摇臂壳体模型进行模态分析，提取摇臂的振型， 通过振型分析可知靠近摇臂头部的两个相邻轴存在较大的相对变 形。由于在斜切状态下，采煤机工作条件较恶劣，所以针对这一工 况在摇臂壳体上相对变形较大的两个相邻的轴孔处增加传动轴，通 过接触对使轴与壳体耦合，进行接触分析，从而获得这两个相邻轴 孔的相对变形量，为该部位传动齿轮修形量的确定提供依据。 关键词：采煤机；摇臂；有限元分析；接触分析 黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s tr a c t t h ew o r k i n gc o n d i t i o ni sc o m p l e x ，w h e t h e rs h e a r e rm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o nc o m p o n e n t s ，h y d r a u l i cc o m p o n e n t s ，e l e c t r i c a lc o m p o n e n t s ， o rr a n g i n ga r m ，c u t t i n gd r u m s ，w i l lb ed u et ot h el a r g el o a dt of a u l t t h e r ea r ei m p a c tl o a d so nt h es h e a r e rr a n g i n ga r m t h ec u t t i n gu n i tw i l l p r o d u c et h ed e f o r m a t i o na n dt o r s i o n a lv i b r a t i o n ，e v e nap a r t i a lf r a c t u r e t h ec u t t i n gu n i tr a n g i n ga r mi sn o to n l yt h el i f t i n gd e p a r t m e n t ，b u ta l s o t h es p e e dr e d u c e rf o rt r a n s f e rp o w e r t h e r ea r es h a f t sa n dg e a r si n s i d e b e c a u s eo ft h ed e f o r m a t i o no fr a n g i n ga r m ，t h ed r i v e s y s t e mw i l lb e i m p a c t s ot h es h e a r e rr a n g i n ga r ms h o u l dh a v ee n o u g hs t r e n g t ha n d s t i f f n e s s c o n s i d e rt h er a n g i n ga r mo fm g 610 14 0 0 - w ds e r i e ss h e a r e r a st h em a i no b je c tf o rs t u d y i n g ，u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oa n a l y z e i t ss t r e s sa n dd e f o r m a t i o n t h es o l i dm o d e lo fs h e a r e rc u t t i n gu n i tr a n g i n ga r mi sb u i l tw i t h t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r eu g i m p o r tt h em o d e li n t of i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st h r o u g ht h ei g e sa n db u i l dt h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo fs h e a r e rc u t t i n gr a n g i n ga r m t h et h e s i ss t u d i e sf o u rs p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o n s u s i n gs o f t w a r e a n s y sa n a l y z e dt h er a n g i n ga r ma n dg e tt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o n t h em a x i m u ms t r e s sa n ds t r a i no ft h e r a n g i n g a r ma r eg o t t h e d e f o r m a t i o nd a t ao fh o l ei sg o t t h ed r i v es y s t e mw i l lb ea f f e c t m o d i f y t h es i z eo fs t r e s sa r e at oi m p r o v ei t t h er a n g i n ga r mm o d a la n a l y s i si s d o n e g e tt h ev i b r a t i o no ft h e r a n g i n g a r m t h e r ei sr e l a t i v e d e f o r m a t i o no nt h et w oa x e sn e a rt h eh e a d t h eo b l i q u ec u ti st h ew o r s t c o n d i t i o n s ，s oc o n s i d e r i n gt h ec o n d i t i o nt oa d dt h es h a f to nt h eh o l e w h e r ea r er e l a t i v ed e f o r m a t i o no n r a n g i n ga r m t h r o u g h t h e e s t a b l i s h m e n to fc o n t a c tb e t w e e ns h a f ta n dh o l e ，i th a st h ec o n t a c t a n a l y s i sa n dg e t st h er e l a t i v ed e f o r m a t i o no ft h et w oh o l e s i tw i l lb ea r e f e r e n c ef o rg e a rc o r r e c t i o n k e yw o r d s ：s h e a r e r ；r a n g i n ga r m ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；c o n t a c t a n a l y s i s h 黑龙江科技学院硕士学位论文 目录 第1 章绪论 1 1 选题的目的和意义 1 2 国内外研究概况、水平和发展趋势 1 3 课题研究的主要内容 1 4 本章小结 第2 章采煤机截割部摇臂受力分析 2 1 采煤机截割部的介绍 2 2 采煤机截割部摇臂的受力分析 2 3 本章小结 第3 章采煤机截割部摇臂壳体有限元分析 3 1 有限元方法及分析软件a n s y s 简介 3 1 1 有限元方法 3 1 2 有限元法的基本方程一 3 1 3a n s y s 简介 3 2 摇臂壳体有限元模型的建立 3 2 1 建立摇臂壳体的实体模型 3 2 2 建立摇臂壳体的有限元模型 3 3 摇臂壳体有限元分析 3 4 摇臂的模态分析一 3 5 本章小结 第4 章装配三轴四轴摇臂的有限元分析 4 1a n s y s 接触分析介绍 4 1 1a n s y s 的接触能力 4 1 2a n s y s 接触单元 4 1 3a n s y s 面面接触分析方法 i i i 黑龙江科技学院硕士学位论文 4 2 摇臂壳体增加传动轴后的有限元分析4 6 4 2 1 有限元模型的建立4 6 4 2 2 计算结果处理及分析5 0 4 3 本章小结一5 3 第5 章结论与展望5 4 参考文献一5 6 作者简介6 0 致谢61 i v 黑龙江科技学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的目的和意义 随着我国市场经济的迅速发展，能源的使用量正急剧加大。我 国不仅是世界上最大的煤炭生产国，同时也是世界上最大的煤炭消 费国，采煤机作为煤矿生产最为重要的设备，其性能不仅直接关系 到采煤机及其机组设备的开机率和可靠性，而且决定着煤矿高产、 高效的生产进程。2 0 世纪5 0 年代我国的采煤机，主要从国外引进； 自7 0 年代开始，我国处于引进与开发相结合的发展时期，能自行设 计和生产适合中厚煤层的螺旋滚筒式采煤机。我国采煤机至8 0 年代 兴盛，到9 0 年代进入电牵引阶段。l9 9 1 年，当时的煤炭科学研究 总院上海分院与波兰科玛克公司合作，研制成功我国第一台交流变 频调速的m g 3 4 4 p w d 型薄煤层强力爬底板电牵引采煤机，从此我 国的电牵引采煤机有了较快的发展n f 引。目前，国内外采煤机向着高 技术、高性能、高可靠性及大功率电牵引的方向发展。 采煤机是机械化采煤工作面的主要设备之一，其作用是利用滚 筒构完成落煤及装煤任务。采煤机性能的优劣对煤矿的安全、高效 生产有直接影响。随着滚筒式采煤机的广泛应用，其能否安全可靠 地连续工作己成为人们日益关注的课题。采煤机在恶劣的工作环境 下，无论是采煤机的液压传动部件、电器元件、机械传动部件，还 是摇臂、截割滚筒等，都会因采煤机受到的载荷过大而出现故障， 从而严重影响采煤机工作的可靠性。 采煤机的截割部主要包括截割机构及传动装置。截割部是采煤 机进行落煤和装煤的部分，它所消耗的功率占整个采煤机功率的 8 0 9 0 ，并且承受很大的负载和冲击载荷。摇臂是滚筒调高的 部件，同时又是截割部可摆动的减速箱。摇臂壳体是一个尺寸大、 结构复杂的部件，在工作过程中，不仅承受载荷大，而且受力状态 也比较复杂。因此，其结构、参数的合理与否直接影响采煤机的生 黑龙江科技学院硕+ 学位论文 产率、传动效率、能耗和使用寿命，。 采煤机截割部不仅要给采煤机工作机构传递落煤和装煤所需的 动力，同时需要承受巨大的随机截割负荷，使摇臂在外载作用下亦 呈现动态变形，使得其内部的机械传动与原始状态产生差异。由于 摇臂所受负荷影响，使其承受弯曲、拉压、扭转等复合作用，因此 用常规的材料力学等方法难于进行相关分析。 随着科学技术的发展，有限元法得到了广泛的应用，通过有限 元法可以对几何形状不规则的各种结构进行应力、应变分析。当机 械结构受到外力载荷作用时，利用有限元法可以知道机械结构受到 外力负载后的状态，从而判断是否符合设计要求。利用有限元法对 结构进行分析已成为产品设计中的一个重要环节5 | 。 本文对采煤机截割部摇臂建立三维实体模型，对其在考虑有无 装配传动轴及不同装配状态的情况下进行有限元分析，分析其应力、 应变以及变形对装配质量的影响，进而为传动齿轮修形量大小等提 供依据。 1 2 国内外研究概况、水平和发展趋势 随着计算机技术和计算方法的发展，对于复杂的工程问题，人 们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，可以采用离散化的数 值计算法并借助计算机得到满足工程要求的数值解，这就是数值模 拟技术。目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元 法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和广泛性 而言，主要还是采用有限单元法。有限单元法的基本思想是将问题 的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点来连接。单元内部 的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系求得哺3 。 由于计算机技术的发展，也产生了许多相应的软件，其中 a n s y s 软件在工程上应用的相当广泛，在机械、电机、土木、电子 及航空等领域的使用，都能达到了某种程度的可信度，颇获各界好 评。使用该软件，能够有效缩短设计时间，降低设计成本。a n s y s 2 黑龙江科技学院硕+ 学位论文 由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发，它 是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元 分析软件，能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如 p r o e ，n a s t r a n ，i d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高 级c a e 工具之一。美国j o h ns w a n s o n 博士于l9 7 0 年创建a n s y s 公司后，便开发出了该应用程序，以此用计算机模拟工程结构分析， 历经4 0 年的不断完善和修改，现在已经成为全球最受欢迎的应用程 序。它包含了前置处理、分析计算以及后置处理，将有限元分析、 计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少 的有力工具 1 1 l 。 有限元分析的方法在国内的应用也十分广泛，2 0 世纪8 0 年代 我国大连理工大学工程力学研究所成功开发了国内第一个通用有限 元程序系统j i g f e x ，并在1 9 8 3 年开发出了它的微机版j i g f e x w 。 它在我国经济发展中拥有广阔的发展f j 景，并把它应用到重大机械 项目和国民经济骨干行业领域当中。 国内外许多学者将有限元的方法应用在各个领域。yvs a t i s h k u m a r n 23 等，使用一种新的加筋板单元对船结构进行有限元分 析；shz h a n g ，kbn i e l s e n 3 1 等，利用有限元法对盒形件充液 拉伸的过程进行有限元分析；g e o r g ev i n a s 1 等对信箱焊接修复 后的残余应力进行有限元分析。 在汽车行业的产品设计中，l9 9 5 年国内的郑建新、赵六奇介绍 了法国s o m a 公司指定的关于驱动桥桥壳强度校核方法；应用 a l g o l f e s 软件对s o m a c l l 6 转向驱动桥桥壳进行了静强度有限元 分析，得出了在三种载荷情况下的最大应力出现处5 1 。 在桥壳的弹塑性非线形有限元分析方面有李玉河等对我国生产 的一种汽车后驱动桥桥壳进行了大位移、大应变弹塑性有限元模拟 分析，求得了加载点的载荷一位移变化曲线、最大应力点的弹塑性 应变、载荷变化曲线、危险截面的弹塑性应力、载荷变化曲线、危 险截面达到全面屈服时的屈服载荷等，为汽车后桥的强度评价及疲 劳寿命估算提供了有关数据引。 黑龙江科技学院硕士学位论文 南京林业大学的郑燕萍，羊玢利用a n s y s 软件，按国家驱动 桥壳台架试验的标准，在计算机中采用有限元方法模拟其垂直弯曲 刚度试验、垂直弯曲静强度试验和垂直弯曲疲劳试验7 i 。 梁尚明等针对摆动活齿减速器的结构特点，建立了摆动活齿减 速器装配体的三维有限元模型。应用有限元分析软件a n s y s 对该 模型进行了模态分析。求出了摆动活齿减速器系统的固有特性h 引。 胡纪滨等采用有限元法对液压机械变速器箱体纯液压段最恶劣 工况点进行了静力学分析，指出了箱体的设计缺陷，改造了箱体结 构，其受力和变形均得到了改善9 。 余成龙，董益亮以汽车后桥为例，研究了杂交系统的动力学分 析问题，推出了其振动微分方程，并用有限元法建立了其动力学分 析模型。利用该模型可对汽车后桥系统进行了模态分析和动力响应 分析3 。 采煤机的发展近几年发展很快，牵引方式向电牵引方向发展， 装机总功率也不断增大，元件的可靠性更是大幅度提高，有些采煤 机的监控系统也基本实现了智能化。 目前，国内外使用的采煤机械主要是可调高的双滚筒采煤机， 最早的滚筒采煤机是在截煤机的基础上，将减速箱部分改成允许安 装一根水平轴和截割滚筒而演变成的。这种滚筒采煤机与可弯曲输 送机配套，奠定了煤炭开采机械化的基础。2 0 世纪6 0 年代，英国、 德国、法国和前苏联等先后对采煤机的截割滚筒做出两项重要改进。 一是截煤滚筒可以在使用中调整其高度，完全解决对煤层赋存条件 的适应性；二是把圆形滚筒改进成螺旋叶片式截煤滚筒，极大地提 高了装煤效果。这两项改进使滚筒式采煤机成为现代化采煤机械的 基础。现代滚筒采煤机均为可调高摇臂滚筒采煤机，其发展是从有 链到无链；由机械牵引到液压牵引再到电牵引；由单机纵向布置驱 动到多机横向布置驱动；由单滚筒到双滚筒，且向大功率、遥控、 遥测、智能化发展，其性能r 臻完善，生产率和可靠性进一步提高， 工况自动监测、故障诊断以及计算机数据处理和数显等先进的监控 技术己在采煤机上得到应用。 4 黑龙江科技学院硕+ 学位论文 国内采煤机主要生产企业有天地科技股份有限公司上海分公 司、鸡西煤矿机械有限公司、西安煤矿机械厂、太原矿机集团公司 等。目前我国已经生产出采高l 5 5 m 、倾角0 0 5 5 0 、装机功率 10 0 , - 一2 5 0 0 k w 、供电电压6 6 0 - 3 3 0 0 v 的滚筒式电牵引采煤机的系 列产品。如由鸡西煤矿机械有限公司研制的大功率电牵引采煤机 m g 8 0 0 2 0 4 0 ，日产2 0 0 0 0 t 、年产6 0 0 万t 。陕西煤化集团西安煤矿 机械厂自主研制的特大功率、大采高、高可靠性的m g 9 0 0 2 2 10 一 w d 型智能化自动化网络化交流电牵引采煤机，年设计生产能力8 0 0 万t ，实际生产能力可达10 0 0 万t 以上。天地科技股份有限公司上 海分公司生产的m g 9 0 0 2 2 l5 g w d 型超大功率交流电牵引采煤机， 该采煤机截割部摇臂单机功率9 0 0 k w ，行走部牵引电机单机功率 1 10k w ，破碎机电机功率l6 0k w ，泵站电机功率3 5k w ，采煤机总 装机功率2 2 15k w 。神东煤炭分公司最新引进的德国e i c k h o f f 公司 生产的采煤机s l l 0 0 0 ，总装功率达2 4 0 0k w ，总重量1 4 5 t ，整机长 度为18 4 m ，机身高3 2 m ，是大采高工作面主要配套设备之一。在 相近的低强度开采条件下，国产采煤机的最大截割高度已经达到国 际先进，最大功率已经达到国际领先。现阶段，要想进一步提高我 国采煤机整体水平，必需采用先进的设计、制造手段，才能提高采 煤机综合竞争力。 国内外一些研究单位、高校、企业等利用有限元等现代分析软 件对采煤机相关特性进行许多研究工作乜卜26 l 。大多研究人员，对采 煤机的设计研究主要是理论分析和模拟仿真，在全面分析采煤机工 况的基础上，建立采煤机的虚拟样机模型。其它一些研究单位和高 校如煤炭科学研究院上海分院、太原理工大学、辽宁工程技术大学、 西安科技大学、桂林航天工业高等专科学校等，也从不同的方面对 采煤机进行了一定研究。 毛君等利用p r o e 对采煤机建立了三维图形并进行了动态仿真， 给出了对采煤机进行有限元分析、接触分析、结构分析和疲劳分析 等方法，并探讨了利用仿真的结果对采煤机进行最优化设计心7 | 。辽 宁工程技术大学的毕长生对采煤机截割部齿轮传动系统的动态特性 黑龙江科技学院硕十学位论文 进行了研究乜引。廉自生等用u g 建立了采煤机截割部的三维几何模 型，利用a d a m s 软件建立了采煤机摇臂的虚拟样机模型，并且对 采煤机摇臂进行了动力学分析心9 | 。李晓豁、刘春生等在考虑了摇臂 的刚度、阻尼以及采煤机与运输机的接触刚度的基础上，建立了采 煤机工作时的刚体动力学模型和数学模型引。李晓豁、赵岐刚还以 顶部悬挂式连续采煤机截割部为例，建立了截割部液压缸活塞运动 速度与悬臂摆动角速度以及活塞推力与悬臂摆动力间的函数关系， 对连续采煤机截割部进行运动及力学分析1 。 综上所述，国内外对采煤机的研究取得了一定的成果，但对采 煤机截割部摇臂的研究没有考虑主要零部件装配影响因素情况下对 其进行有限元分析。 1 3 课题研究的主要内容 本文在黑龙江省自然基金( e 2 0 0 8 2 5 ) 资助下，对采煤机截割部 摇臂进行有限元分析，建立摇臂壳体的有限元计算模型，分析摇臂 的应力和应变状态。 本课题的主要内容： ( 1 ) 对采煤机截割部的结构和工作原理进行的分析，提出一个 合理的简化模型。 ( 2 ) 采用u g 软件建立采煤机摇臂壳体的三维实体模型，导入 a n s y s 软件中对采煤机截割部摇臂进行有限元分析，获得采煤机截 割部摇臂的应力和变形状态，找到最大应力和危险截面，为采煤机 截割部摇臂结构的进一步改进提供依据。 ( 3 ) 在摇臂壳体相对变形最大的相邻轴孔处增加传动轴，通过 接触对跟壳体耦合，再对摇臂进行静力分析，模拟两轴的相对变形 量，为齿轮装配和修形量的确定提供依据。 1 4 本章小结 本章对采煤机的发展概况以及有限元的发展和应用进行了介 6 黑龙江科技学 绍，根据目前国内对采煤机截割部 提出本课题的主要研究内容及意义 黑龙江科技学院硕十学位论文 第2 章采煤机截割部摇臂受力分析 2 1 采煤机截割部的介绍 采煤机械作为机械化采煤工作面的主要设备之一，主要完成落 煤和装煤两个工序。现代的采煤机械一般采用滚筒式采煤机和刨煤 机。目前应用最广泛的采煤机械是双滚筒采煤机，结构简图如图2 1 所示。 1 摇臂2 轴承架3 牵引部4 电控箱5 中间箱6 液压装置 图2 1 采煤机结构简图 f i g 2 1s t r u c t u r eo fs h e a r e r 采煤机截割部主要由螺旋滚筒、摇臂等组成，它是采煤机实现 落煤和装煤的部分。 螺旋滚筒承担截煤和装煤任务，是采煤机截割部的主要部件之 一，一个完整的螺旋滚筒应该满足一定的要求：能适应不同的煤层 和有关地质条件；能充分利用煤壁的压张效应，降低能耗，提高块 煤率，减少煤尘；能装煤和自开切口；结构简单，工作可靠，拆装、 维修方便；载荷均匀分布，机械效率高。螺旋滚筒是采煤机落煤和 装煤的执行机构。它的作用是落煤、装煤、降尘和冷却。因此，滚 筒要求具有较高的截割效率和装载效率。 8 黑龙江科技学院硕十学位论文 采煤机截割部减速器一般分为固定减速器和摇臂减速器，它主 要包括供摇臂调高滚筒用的液压传动系统和齿轮减速的机械传动系 统。当截割电动机横向布置时，摇臂减速器与电动机直接相连，所 以没有固定减速器，如图2 2 所示。摇臂既是采煤机的调高部件， 又是可以传动动力的减速箱。 簇黧 止血i 一旒 审l 卜一 , j 鼠惜氢甾举囊彗r 鱼移 时崾罾& 蟛! = 国l蕊嚣僻 n 搭审申申考箬划 1 电动机2 一轴3 二轴4 三轴5 四轴 图2 2 采煤机截割部传动系统 f i g 2 2d r i v es y s t e mo fs h e a r e r sc u t t i n gd e p a r t m e n t 2 2 采煤机截割部摇臂的受力分析 采煤机的工作条件十分恶劣，采煤机在工作过程中受到冲击载 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 荷非常剧烈，对采煤机截割部摇臂及内部传动会造成很严重的影响。 滚筒受到截割阻力e 、推进阻力e 、轴向力t 的作用引。近似 认为电动机的功率全部消耗在前滚筒上，截割阻力集中作用在螺旋 滚筒中央的截齿齿尖上，且垂直牵引速度方向，截割阻力为： f 。：1 9 1 x 1 0 7 n h r l i ( 2 1 ) 7 n d 、。 式中 h 一一电动机额定功率，k w ； z 一一截割部主传动系统的总传动比； 刁一一截割部总传动效率； 万一一滚筒转速，r m i n ； d 一一滚筒直径，m 。 推进阻力集中作用在螺旋滚筒中央的截齿齿尖上，且与牵引速 度的方向相反，推进阻力为： c = k e( 2 2 ) 式中 k 。主要与截齿磨损程度有关的系数，截齿磨损较小取0 2 ， 磨损较大取1 o ，中等磨损程度取0 6 0 8 ，取k 。= 0 8 。 螺旋滚筒所受的轴向力主要是截齿受力不平衡造成的，螺旋滚 筒运煤引起的轴向力比较小，顺序配置时，截齿都是一个紧挨着一 个进行截割的，因而每个截齿受到朝煤壁方向作用的侧向力，而且 切屑断面较小。截齿受到不平衡的侧向力，但因为滚筒基本部分截 齿和滚筒端盘部分截齿所受到的侧向力作用方向，一般是相反的， 故滚筒的轴向力为： c ：华 ( 2 3 ) l j 式中 厶滚筒端盘截齿的截割宽度，m ： 厶滚筒的有效截深，m 。 1 0 黑龙江科技学院硕十学位论文 棋盘配置截齿时，截齿是按一个跳一个的次序进行截割的，所以每 个截齿两侧的受力基本是平衡的，故螺旋滚筒的轴向力为： c ：k z _ t k f x ( 2 4 ) l j k ，考虑滚筒端盘部分接近半封闭截割条件系数，取k ，= 2 ； 采煤机在处于斜切状态时除了正常工作状态下的轴向力外，还 有截齿挤压煤壁产生的轴向力，所以该状态下的轴向力为两个轴向 力的合力，即 f z = f z + f j 2 ( 2 5 ) 式中 f 。一一采煤机斜切进刀过程中煤壁反作用于截齿的侧向力，n 。 由经验可知，对于中等功率采煤机处于斜切状态时，与正常截 煤状态相比，轴向力增加lo 12 ，对于大功率采煤机增加量还 要大，本文取16 3 1 。 本文以m g l4 0 0 型采煤机为研究对象，其相关参数为：截割功 率p = 6 1 0 k w ；滚筒转速 = 2 8 2r m i n ；滚筒直径d = 2 5m ；牵引速 度v q = 0 1 4 m m i n ；摇臂上摆角口= 4 2 0 ；摇臂下摆角口= 1 8 0 ；最大 煤层倾角= 2 5 0 ；最大牵引力f = 7 8 5 k n ；机重g = 7 5 9 0 0 k g 。 在采煤机零部件的强度计算中，实际工况下截割载荷的确定尤 为关键。合理确定载荷是零部件有限元分析的前提和基础。采煤机 在工作过程中，摇臂的受力状态是受滚筒所处的位置影响的，为了 保证摇臂壳体在最严重的工作状态下不发生破坏，取摇臂最大的受 力状态。本文主要研究四种工况：工况i ，工况i i 为煤层倾角= 2 5 0 ， 正常工作时摇臂摆角分别为口= 0 0 ，口= 4 2 0 时的两种工作状态；工况 i i i 为煤层倾角= 2 5 0 ，摇臂摆角口= 4 2 0 时，考虑滚筒的斜切的工作 状态，工况为煤层倾角= 2 5 0 ，摇臂摆角口= 1 8 0 时的工作状态， 前三种工况都是前滚筒的工作状态，第四种工况是后滚筒的工作状 态，受力如图2 2 所示，这样就能更全面的了解摇臂壳体的应力和 变形状态。 黑龙江科技学院硕十学位论文 图2 - 3 摇臂受力简图 f i g 2 3f o r c eo ft h er a n g i n ga r m 根据上面的经验公式可以计算出采煤机截割部摇臂滚筒上承受 的载荷。分析前滚筒受力时假设所有牵引力都做用在滚筒上，采煤 机前滚筒克服的牵引阻力为： 瓦= 【f + g s i n 一f g c o s p ) 0 6( 2 6 ) 式中 f 一一采煤机牵引力，n ； g 一一采煤机的重力，n ； 一一煤层倾角，。； 厂一一摩擦系数，决定于采煤机导向机构摩擦表面的状况和湿 度，以及采煤机的运动速度，平均可取0 18 。 后滚筒克服的牵引阻力为： 瓦。= ( f + g s i n f l - f g c o s f l ) x 0 4 ( 2 7 ) 对于不同工况，为了便于分析，只改变施加载荷的方向不改变 1 2 黑龙江科技学院硕十学位论文 其模型轴线位置。水平、垂直和轴向方向的力分别用兄，兄来 表示，四种工况的受力简图如图2 3 ，2 4 ，2 5 ，2 - 6 所示，计算如 下： 工况i ： 工况i i ： 工况i i i ： 工况： l = 乙c o s 0 。一es i n 0 。= 乙 f 眄= tp s i n o oj rf y c o s o o = fp f 。= f z 凡= 乙c o s 4 2 。一s i n 4 2 。 f i f ) ? = tps i n 4 2 0 + f y c o s 4 2 0 f z z = f z f 。= t pc o s 4 2 0 f ys i n 4 2 0 f 眄= t ps i n 4 2 0 + f y c o s 4 2 0 f z z = f z l = 乙c o s l 8 。+ e s i n l 8 。 = 乙s i n l 8 。一c o s l 8 。 f 。= f z 图2 4 工况i 摇臂受力简图 f i g 2 - 4f o r c eo ft h er a n g i n ga r m w o r k i n gc o n d i t i o ni 1 3 根 黑龙江科技学院硕十学位论文 估载 黑龙江科技学院硕十学位论文 第3 章采煤机截割部摇臂壳体有限元分析 3 1 有限元方法及分析软件a ns y s 简介 有限元法是最近6 0 年发展起来的计算力学中一种有效的通用 计算方法，是计算机辅助工程c a e 中的一种，它既包括有数学理论， 又包括有程序的设计技巧。这种方法首先应用在固体力学方向上， 而后在工程技术各个领域中得到了广泛的应用。 3 1 1 有限元方法 从数学的角度来看，一个工程问题可以用一个偏微分方程来描 述，但却很难求得其精确的解析解。从2 0 世纪5 0 年代开始，随着 电子计算机的应用，有限元作为一种数值分析工具，借助于高速电 子计算机的配合，得以使以前这类难以处理的工程技术问题都可以 获得一个近似的数值解。目前，有限元法已被公认为是一种有效的 数值计算方法，并被广泛应用于各类工程技术领域。在机械设计中， 从齿轮、轴、轴承等通用零部件到机床、汽车、飞机以及航空、航 天设施等复杂构件的应力和变形分析，采用有限元法计算，都可以 获得一个足够精确的近似解来满足工程上的要求4 。3 引。 19 6 0 年以后，有限元法在工程上获得了广泛的应用。比较成熟 的大型通用有限元分析软件包括m s c p a t r a n ，m s c n a s t r a n ， a n s y s ，a b a q u s ，m a r c ，s a p 9 1 等。随着社会的发展需要，在 各个领域中出现了越来越多的复杂结构，这些结构在工作过程中会 承受多种外载荷的联合作用，其应力、应变、位移、热变形及振动 响应等问题的分析均比较复杂。过去由于计算机的限制，对复杂结 构的力学分析常感到力不从心，近10 年来随着计算机技术和图形设 备性能的不断提高，结构c a d c a e 技术的迅速发展，以及计算力 学理论的进一步完善，结构c a e 技术如今已成功地应用于各种工程 部门的结构设计。采用先进的结构c a e 分析软件进行结构设计与分 析，有利于节约研制费用、缩短研制周期，提高产品竞争能力。同 黑龙江科技学院硕十学位论文 时可以全面、精确分析设计对象的物理状态，寻找最优参数，以便 进行经济合理的结构设计7 38 1 。 3 1 2 有限元法的基本方程 有限元法中经常用到弹性力学的变分原理和基本方程，弹性力 学可以分析弹性体在受外力作用并处于平衡状态下产生的应力、应 变和位移状态相互关系等。弹性力学用于二、三维连续弹性体问题 要考虑几何方程、物理方程、平衡微分方程和边界条件，最终是偏 微分方程的边界问题9 。40 | 。 3 1 2 1 位移和应变之间的几何关系 弹性体在载荷作用下，会产生变形和位移。弹性体内任一点的 位移可由沿直角坐标轴方向的三个位移分量u ，v ，w 来表示。它的 矩阵形式是： 万= 三 = l 1 ， w r( 3 1 ) 称作位移列阵或位移向量。 弹性体内任意一点的应变，可由6 个应变分量q ，q ，占：，岛， 如，比来表示。其中t ，q ，乞为正应变，比为剪应变。 应变的矩阵形式是： = k ，；y 见k r ( 3 2 ) 上述六个分量，称为应变分量。对于三维的一般情况，各应变 1 6 巳勺t坛 黑龙江科技学院硕+ 学位论文 分量和位移分量的几何关系为： 方程 所以 组3 协调 小立 面体 的变 元体 条件 下式 对z ， 因为 黑龙江科技学院硕+ 学位论文 百0 2 y , ：芝_ o u 4 i - 罢宴 ( 3 6 ) 一= ：一 t j i ，- 苏却却2 舐反2 却 、 因为巳= 瓦o u ，s y = 考，所以式( 3 6 ) 可以改成： 盟：冬+ 鼻 ( 3 7 ) o x o y 加2叙2 、7 这就是平面问题的变形协调条件。 对于三维问题，只要把位移分量”，1 ，w 从式( 3 3 ) 中消去就得 到相应的变形协调条件。把对x ，z 的微分，坛对y ，x 的微分， 并将所得结果相加则得： 石0 2 y ，y + 姿：兰( i o u + i o v ) ( 3 8 ) 苏瑟苏却叙瑟、却叙。 由于甜，w 是单值连续函数，我们便可把式( 3 8 ) 右边写成： 2 丽0 2 瓦o u + 萨0 2 【瓦o r + 万o w ) = 2 茜+ 等 ( 3 9 ) 因此有： 盟o x o z + 盟o x o y = 2 意+ 等 ( 3 1 0 ) 巩瑟氟 利用循环轮换法即可得到其余类似关系式。结果，可以得到应 变分量之间必须满足的变形协调条件。它们是如下的6 个微分方程 式 1 8 黑龙江科技学院硕十学位论文 a 2 s t 8 1 s vc 3 2 y q o y 2 叙2o x o , 2 堕：旦( 一丝+ 墼+ 盟) 砂出 礅苏 砂 瑟 a 2 占。0 2 占，0 2 y 甥 一i - ：一 昆2 。o y 2o , o z 2c 3 2 s y ：旦( 丝一丝+ 丝) 恕瓠卸j 瓠动 a z a 2 = a 2 s ： c 3 2 y “ 二上二= = 舐2瑟2如苏 2 堕：旦( 丝+ 监一盟) 3 1 2 2 应变和应力之间的弹性方程 ( 3 11 ) 弹性体在载荷作用下，体内任意一点的应力状态可由6 个应力 分量仃，仃y ，仃：，f 掣，f 弦，f 。来表示。其中盯，仃y ，盯：为正应 力，f 删，f 憎，f 。为剪应力。应力分量的正负号规定如下：如果某一 个面的外法线方向与坐标轴的正方向一致，这个面上的应力分量就 以沿坐标轴正方向为正，与坐标轴反向为负；相反，如果某一个面 的外法线方向与坐标轴的负方向一致，这个面上的应力分量就以沿 坐标轴负方向为正，与坐标轴同向为负。 应力分量的矩阵为： = b ， o p o z 1 q1 _ | z乞】r ( 3 1 2 ) 称为应力列阵或应力分量。当弹性单元体上只作用有拉伸或压缩的 应力o r ，( 所有6 个表面上没有任何其他应力作用) 时，则应力盯，和 1 9 r y z y z x办巩办锄和锄 黑龙江科技学院硕十学位论文 应变q 成比例，其比值称为拉伸弹性模量，用e 来表示。即此时有 虎克定律： q ：睾 ( 3 1 3 ) 大多数工程材料的拉伸弹性模量和压缩弹性模量相等，因此简 称为弹性模量。当单元体在x 方向拉伸时，在y 和z 两个方向必伴随 着横向收缩。因此有： 占y = = 一肛，：i o x c z - a( 3 1 4 ) 占j ，2 一心2 i ( 3 - l4 ) 式中 一一为泊松比。 剪应力分量和其对应的剪应力之比称为剪切弹性模量，用g 表 示，即： g ：熹 ( 3 15 ) 2 ( 1 + ) v 。 g 跟e 之间的关系是： g ：熹 ( 3 16 ) 2 ( 1 + ) v 。 对于各向同性材料，在三维情况下，由应变求应力的弹性方程 为： 咿击c 嵩南勺+ 南呦 q 2 而蔫q + 南勺+ 南乞) o y = 南吃尚矿南2 而高而s y + 南巳) 吁唾ec 南 面u 。+ 尚叫 n 2 丽丽 e 。丽丽 e 吃2 蕊坛 黑龙江科技学院硕十学位论文 由应力求应变的弹性方程为： 铲去h 一l ( 盯y 也) |。 q = ! e k y 一( 吒+ 仃：) 】 巳2 去b ：一( q + 仃y ) l (318)1 、一u ， 矿毛1 秘 7 户西f 弦 1 y 产i t 珥 式( 3 17 ) 和( 3 18 ) 表述了三维情况下应力和应变之间的关系，称为广 义虎克定律。这种关系又可称为物理关系，式( 3 17 ) 和( 3 18 ) 可以写 成矩阵形式： 盯= d 6 ( 3 19 ) 式中 d 一一为弹性矩阵。 或s = 仃戥s = 叩仃 式中 1 = 一 e = d 一1 3 1 2 3 应力与外力之间的平衡方程 ( 3 2 0 ) 作用在物体上的外力一般可以分为两类。一种是表面力，如加 在梁上的载荷，流体静压力等都是表面力，表面力一般用单位面积 上的力在3 个坐标轴方向上的投影g ，g y ，g ：来表示。另一种是体 2 1 0 0 0 o 0 + 0 2 0 0 0 o + o 2 o 0 0 + o o 0 20 o o 吖吖。o o o 叫。 叫o o o ， o 0 o ， 吖吖o o o 黑龙江科技学院硕十学位论文 积力，如重力、离心力、惯性力等都是体积力，体积力一般用单位 体积上的力在3 个坐标轴方向上的投影p ，p ，p ：表示。弹性体中 的应力不是任意的，它必须满足静力平衡条件，即弹性体内任一点 满足平衡方程，在给定表面力的边界上满足应力边界条件。在单元 体处于三维应力作用的情况下，根据微元体所受合力为零的条件， 可以导出直角坐标系中的三维平衡方程为： 在一般三维应力状态的情况下，分别取作用在单元体上的力对