（机械电子工程专业论文）煤炭采样机采样臂有限元分析与优化设计.pdf

摘要 本论文所设计的煤炭采样机是一个自动采制样煤的机械，可对商品煤、煤堆样进行 采样和制样。 首先，根据设计要求提出了采样臂的初步设计方案，利用相关理论对采样臂的尺寸 和回转机构进行了设计，并结合m a t l a b 强大的计算功能，对采样臂的尺寸进行了优化 分析； 其次，利用有限元分析软件a n s y s 对采样臂进行静力学分析，包括强度、刚度和稳 定性三个方面。分析计算表明，采样臂的刚度和强度还有很大余量，为利用现代设计理 论进行结构优化研究提供了工程背景和研究内容。 最后，利用a n s y s 的优化功能，对采样臂进行参数化建模，选取采样臂的质量为目 标函数，采样臂的壁厚为设计变量，许用应力和最大挠度为约束条件，进行结构优化， 得到了较合理的几何尺寸，并对优化后的结构进行了强度、刚度和稳定性进行了校核， 验证了优化结果的可行性。 本论文利用a n s y s 对采样臂的结构进行优化设计，节省了大量的人力物力，缩短了 产品的设计周期，提高了工作效率，对实际工程具有很重要的价值。该采样臂的有限元 分析与优化设计研究为同类产品的设计和工程实际问题的解决提供了重要的理论依据 和参考价值。 关键词：煤炭采样机、有限元分析、参数化、优化设计 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a l la u t o m a t i cc o a ls a m p l i n gm a c h i n ei sd e s i g n e d ，w h i c hc a nt a k ea n d p r e p a r es a m p l e sf o rc o m m e r c i a l c o a la n dc o a lp i l e f i r s t l y , p r e s e n tt h ep r e l i m i n a r yd e s i g no f t h es a m p l i n ga r ma c c o r d i n gt ot h et h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ，u s i n gr e l a t e dt h e o r i e st od e s i g nt h es a m p l i n ga r ma n dr o t a t i n gm e c h a n i s m ；a n d m a k eo p t i m i z a t i o na n a l y s i so ft h es i z eo ft h es a m p l i n ga n t ic o m b i n e dw i t hp o w e r f u l c o m p u t i n gc a p a b i l i t i e so fm a t l a b s e c o n d l y , a n a l y s i st h es t a t i co f t h es a m p l i n ga r mw i t ha n s y s ，i n c l u d i n gs t r e n g t h , s t i f f n e s sa n ds t a b i l i t y s t u d ys h o w st h a tt h e r ei sag r e a tm a r g i no f t h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t ho f t h es a m p l i n ga r m , w h i c hp r o v i dab a c k g r o u n da n dc o n t e n t so ft h ep r o j e c tf o rs t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o nw i t hm o d e md e s i g nt h e o r y f i n a l l y , c r e a tt h ep a r a m e t r i cm o d e l i n g o ft h es a m p l i n ga r mw i t ht h eo p t i m i z a t i o n a l f u n c t i o no f a n s y s t h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni st h eq u a l i t yo ft h es a m p l i n ga r m , t h ed e s i g n v a r i a b l ei st h et h i c k n e s so f t h es a m p l i n ga r m ，t h ec o n s t r a i n ti st h ea l l o w a b l es t r e s sa n d m a x i m u md e f l e c t i o n a f t e rt h a t , am o r er e a s o n a b l eg e o m e t r yh a sb e e nc r e a t e da f t e rs t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n ，t h es t r e n g t h , s t i f f n e s sa n ds t a b i l i t yf o ro p t i m i z e d 蚰m c t u r eh a sb e e nc h e c k e d ， a n dt h ef e a s i b i l i t yo fo p t i m i z a t i o nr e s u l t sh a sb e e nv e r i f i e d i nt h i sp a p e r , a n o p t i m a ld e s i g no f t h es t r u c t u r eo f t h es a m p l i n ga i mh a sb e e nm a d ew i t h a n s y s ，w h i c h s a v e sal o to fm a n p o w e ra n dr c s o u i c 冶s ，s h o r t e n st h ed e s i g nc y c l eo f p r o d u c t i o n , i m p r o v e sw o r ke f f i c i e n c y , a n dh a s av e r yi m p o r t a n tv a l u ef o rt h ea c t u a lp r o j e c t t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n do p t i m a ld e s i g no ft h es a m p l i n ga i mp r o v i d e sa ni m p o r t a n t t h e o r e t i c a lb a s i sa n dr e f e r e n c ev a l u ef o rt h es a m ep r o d u c td e s i g na n de n g i n e e r i n gp r o b l e m s k e yw o r d s ：c o a ls a m p l i n gm a c h i n e s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，p a r a m e t e r i z a t i o n , o p t i m a l d e s i g n n 长安大学硕士学位论文 1 1 煤炭及其采样概述 第一章绪论 能源是人类生存和社会发展的必要因素，是社会经济发展的基础和动力，对 国民经济的持续、快速发展和人民生活水平的不断提高起着举足轻重的作用。 纵观人类的能源利用史，可以发现人类对能源的利用主要有三大转换：第一 次是煤炭取代木材等成为主要能源；第二次是石油取代煤炭而居主导地位；第三 次是2 0 世纪后半叶开始出现的向多能源结构的过渡转换，这场持续到今天的多能 源格局形成中，石油与煤炭占据绝对主体地位，而2 1 世纪以来，随着石油的短缺 与2 0 世纪的三次石油危机，煤炭的重要战略地位和综合利用得到前所未有的重 视，从而使煤炭在世界能源消费结构中比重的明显上升i l 】。如表1 1 为世界原煤 需求量。 表1 1 世界原煤需求量( 百万吨标准煤) 年度 1 9 8 0 年2 0 0 0 年2 0 0 5 年2 0 1 0 年 叵趴 中国 4 4 68 9 91 5 6 32 6 6 9 美国 5 7 18 2 88 4 61 0 8 3 欧洲 6 5 74 6 84 5 74 4 2 俄罗斯 2 9 02 9 23 0 43 4 1 印度7 52 3 52 9 7 4 7 2 非洲 7 41 2 81 4 61 6 2 从上表可以看出，世界各国对煤炭的需求量越来越多，煤炭在我国的能源体 系中占有重要的位置，是我国经济和社会发展不可或缺的物质基础。我国煤炭资 源非常丰富，煤炭资源分布面积很广，煤炭资源总量居世界之首。我国制订的能 源中长期发展规划纲要指出“要大力调整优化能源结构，坚持以煤炭为主体， 电力为中心，油气和新能源全面发展的战略 。由于我国是“多煤、贫油、少气 第一章绪论 的特点，故在今后相当长的时间内，能源结构仍以煤炭为主，煤炭在我国能源体 系中占有重要的地位，起着举足轻重的作用1 2 】。 煤炭作为一种数量较大的特殊商品，流通量越来越大。由于煤炭是一种非均 质的混合物，其性质随生成地质条件、生产、加工、运输等过程的不同而有很大 差别。此外，各种工业用煤部门对煤炭质量又有不同的技术要求。而煤炭质量又 与环境、节能和提高生产效率有密切的关系，因而对煤炭进行采样评估是非常重 要的。 由于煤炭是不均匀的物质，要取到在质量上同这批特定煤样绝对相同的煤样 式不可能的，只能做到不系统偏向一方，而且在一定范围内尽可能地接近特定量 得全部煤的平均质量，这一小部分煤的分析试验结果就可以代表这一特定量煤的 平均性质。煤炭采样是指从特定的煤堆中取出一部分具有代表性的煤样，以确定 该煤堆煤碳的质量的过程。所采煤样虽在数量上很小，但在物理和化学性质上却 能代表该煤堆的煤。1 3 1 。 煤的采样是煤质分析中最重要的环节，要获得准确的测试数据，就必须采取 出具有代表性的样品。按照采样方式的不同可以分为人工采样和机械采样。目前， 由于采购站点点多面广，而监控人员是手工作业，因此在人力不足的条件下，很 难完全按照国家标准的采样办法进行采样，给供煤商做夹心煤及种种做假手段留 下了空间，严重损害了企业利益，同时由于人工采样很难具有代表性，使得煤质 奖罚经常出现扯皮，使得现有的煤质管理很难再上台阶，造成企业在给用户供煤 过程出现质量大幅波动，严重影响到了企业形象。虽然相关部门针对供煤商的作 假行采取了警告、停止发煤等措施加以遏制，但终因没有一个及时且能全方位监 控的手段，而使效果并不佳。 为了考评燃煤经济性，对入厂煤进行采样后以质论价几乎成了所有厂家的最 常用的控制措施。同时由于传统的人力采样既费时费力，又不能采到足够的深度， 无法保证煤样选取的代表性和准确性，因此实现煤炭检测的自动化，研制开发自 动采制样装置是机械化采制样发展的必然趋势，从而提高了采样的代表性，减小 了工作人员的劳动强度，避免采样工作中人为因素，所以，机械采制样装置时解 决问题的根本办法。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 煤炭采样的状况 最近几年，随着国家宏观经济政策的调整，煤炭作为最主要的原材料，其价 格一直居高不下。同时由于煤炭供应日趋市场化、多元化，造成煤质波动幅度增 大，煤种杂、人炉煤质控制难度加大，因此，对煤炭的管理，也引起各个有关行 业的高度重视。因此，煤的经济性成了国内各燃煤企业重点考核指标。 目前，由于煤炭采购站点多而且分散，质量监控大都是手工作业，因此在人 力不足的条件下，很难完全按照国家标准的采样办法进行采样，给供煤商做夹心 煤及种种做假手段留下了空间，严重损害了企业利益，同时由于手工采样很难具 有代表性，使得煤质奖罚经常出现扯皮，使得现有的煤质管理很难再上台阶，造 成企业在给用户供煤过程出现质量大幅波动，严重影响到了企业形象。虽然相关 部门针对供煤商的作假行采取了警告、停止发煤等措施加以遏制，但终因没有一 个及时且能全方位监控的手段，而使效果并不佳。 为了考评燃煤经济性，对入厂煤进行采样后以质论价几乎成了所有厂家的最 常用的控制措施。同时由于传统的人力采样既费时费力，又不能采到足够的深度， 无法保证煤样选取的代表性和准确性，因此实现煤炭检测的自动化，研制开发自 动采制样装置就十分必要。 1 3 国内外煤炭采样机的状况与发展方向 自上世纪7 0 年代以来，我国煤炭质量分析的制样设备和分析化验仪器已经发 展到相当规模，不仅种类齐全，而且逐步实现自动化和智能化，有的产品已达到 国际先进水平，但是我国在自动化煤质采样机( 简称采样机) 方面还没有形成规范 并且统一的技术标准，国内一些煤炭销售大户( 如电厂和输煤港口) 为了淘汰那些 既费时费力又不准确的人工采样方式，相继与有关科研院所进行合作，并依照国 外采样机设计相关标准，开发出了一系列适合我国国情和企业具体环境的煤炭采 样机。 世界其他产煤及用煤大国，已广泛使用机械化采制样系统，虽然国外已有较 成熟的采样系统设备，但由于系统过于庞大，一般有1 5 - 2 0m 高，价格也相当昂 贵( 2 5 万至上百万美元) ，般企业难以承受。 目前，我国生产采样机械化设备的企业有徐州、三源采样机公司，美国拉姆 3 第一章绪论 齐、赫尔斯等合资企业，以及北京的通尼特合资公司，国内企业有长沙通发公司、 开元公司、山东三能公司及煤科院的检测中心等1 0 多家企业。 煤炭采样机主要有以下型式：桥式采样机、门式采样机，悬臂式采样机等， 如图1 1 所示。 ( c ) 悬臂式采样机 图1 1 煤炭采样机的壅式 1 4 论文的主要内容和研究意义 以往的采样装置都是固定式的、不可移动的，受地域的限制，灵活性不高。 因此，为了既能克服以上缺陷，又能满足煤炭检测的现实需要，开发研制自行式 4 长安大学硕士学位论文 采制样设备，可更好抢占此类产品市场的先机，形成新的核心竞争力和新的经济 增长点。 与传统采样机及制样机相比较，本方案研制的自行式采样制样机能够很方便 的完成多点采样，克服了传统采样装置受地域限制的缺点，形成了一个流动的采 样平台，实现的随时、随地实现采样得功能。采样系统的视觉定位系统，能够实 现在采样过程中对需要采样的样品进行智能化定位，达到人机界面的可视化操作 效果，更加准确、有效的完成采样。整机的p l c 程控系统，不但实现了设备运行 的自动化管理和监控，提高了系统的可靠性和安全性，而且改善了工作环境，并提 高了采样机的工作效率。这三个组成部分的优化配置，更好的实现采样系统的机 电液一体化，本项目对有效的减轻工人的劳动强度，提高工作效率，提高外购煤 质量管理的精细化，具有不可或缺的重大意义，同样也能维护样本采样过程中巨大 的经济效益。 本论文主要是对煤炭采样机中的采样系统进行结构方面上的设计，其主要研 究内容如下： 1 、对本论文所设计的煤炭采样机的结构和工作原理进行详细的阐述，并介绍 系统中主要部件的功能； 2 、根据本采样机的设计要求，利用相关原理计算出采样臂的结构尺寸以及回 转部分的结构尺寸，并对标准部件进行选型； 3 、利用a n s y s 有限元分析软件对采样臂进行有限元建模，然后选取三种工 况中最危险的工况，进行静力学分析，包括：强度、刚度和稳定性三个方面； 4 、选取精力分析的工况，对采样臂进行模态分析，计算出采样臂六阶以内的 固有频率，避免在工作中发生共振； 5 、根据分析结果，对采样臂模型进行结构优化，本文只选取壁厚作为优化参 数，通过结构上的优化，达到减轻臂重，节省钢材，进而降低成本的目的。 6 、利用上面的优化结果，对原有模型进行修改，最后进行强度、刚度和稳定 性三个方面进行校核。 5 第二章煤炭采样机结构与工作原理 第二章煤炭采样机结构与工作原理 2 1 煤炭采样机的组成以及整体结构 本论文设计的煤炭采样机是一个自动采制样煤的机械，可对商品煤、煤堆样 进行采样和制样。主要由采样机构、回转机构、底盘系统、制样系统组成。采样 装置包括螺旋采样头和采样臂，起升采样机构安装在回转平台上，回转平台可实 现双向回转，最大回转角度为1 2 0 度。制样系统包括煤样集料斗、破碎机、缩分 器、集样器等，被安装在底盘上，可对采取的煤样进行破碎、缩分等操作。 l 、叫转马达2 、底座3 、连接臂变幅油缸4 、连接臂5 、采样臂变幅油缸 6 、伸缩臂油缸7 、基本臂8 、伸缩臂9 、采样头 图2 1 采稠粗作姐示意图 煤炭采样机的工作原理是：当运煤车辆停到指定位置后，煤炭采样机旋转采样 臂对预先设定的采样点进行定位，螺旋采样头旋转钻入运煤车厢，煤样被提升并 在采样头上部进行缩分进入料斗存储，采样臂将采样头提起并移动到卸料位置， 打开料斗门，样品被送到制样系统，进行破碎和缩分，样品送入样品收集器，可 送入化验室用做水分样和分析样，余煤经余煤回送装置集中收集，统一处理。整 个采样、制样、留样过程满足国家相关的最新标准。 2 2 各机构总成以及功能 2 2 1 采样机构 6 长安大学硕士学位论文 采样机构主要由采样臂与采样头组成，主要是负责对煤炭的采取工作。采样 臂经回转机构被固定在地盘系统上，采样臂采用的是箱型结构，便于移动；采样 头是采样机构的核心部件之一，主要负责对煤炭的采取工作，采样头采用的是螺 旋样式。 2 2 2 回转机构 回转机构是连接采样机构与底盘系统的重要装置，通过回转机构采样机构可 以在水平面上进行水平转动，实现任意点采样，同时回转结构也是为采样机构连 接动力系统的枢纽，通过回转结构采样机构可以获得想要的转速，来保证采样机 构能够快速高效的采取煤样。 2 2 3 底盘系统 工程施工机械的行走系统有履带式行走系统和轮式行走系统，但是履带式行 走系统的移动速度慢，耗能比较高；轮式行走系统运行速度较高，转移工作地点 强 方便，因此本系统采用轮式行走系统，以保证良好的机动性、路面适应性和采样 机机身的稳定性。考虑到防滑的要求，选用防滑系数比较高的轮胎，以适应采样 制样的恶劣环境。 鼯 2 2 4 制样机构 f 0 煤炭制样是煤炭采制样分析中的一个重要的环节，主要是将采集来的煤样送 进制样系统，经过破碎、缩分和集装等工序制备成能够代表原来煤的分析( 试验) 用煤样。一般地讲就是制备煤样过程中，在保持原来煤样的组成的前提下，由采 集而来的几十到几百公斤的煤样制备成化验时所需的数百克到几公斤分析煤样， 并在化学和物理等特性上与原煤样保持一致，即分析时所用的煤样必须具有很好 的代表性。 制样系统实现将进入煤样集料斗的样品，连续均匀地送入破碎机，破碎机按 规定的粒度要求进行破碎，破碎后的子样进入次级给料机，在缩分器中经过二次 采样机进行二次采样缩分，最终样品进入集样器，弃煤经弃煤回送装置，返回车 厢或煤堆。弃煤回送装置、样品收集器、缩分器、破碎机、初级给料机、液压站 的故障检测是利用计时器判断设备动作的完成时间是否超时，一旦超时则发出故 障信号，同时停止故障设备以及上游设备的运行。 制样系统包括煤样集料斗，破碎机，缩分器，集样器等。制样流程如图2 2 7 第二章煤炭采样机结构与工作原理 所示。 图2 2 制样流程图 2 3 煤炭采样机的性能特点 1 、螺旋采样头由液压系统控制，并且下部安装有破碎功能装置，当采样头遇 到石块、木块或金属杂物等时，如果物体不大，可以利用破碎装置对石块进行破 碎；如果物体很大，且发生卡堵或转速下降的情况，那么利用液压系统的自动复 位保护功能。 2 、本采样头运动灵活，可实现全方位采样，采样头的采样半径为3 - 6 m ，还 能进行1 2 0 0 的转动。 3 、采样装置的采样深度可在o _ - 2 m 之间任意选取，每次取样质量均为5 k g 左右，遇大块煤可利用合金钻头将煤钻碎后取出，不存在采不上大粒度煤或遗漏 小粒度煤的情况。 4 、系统采用上位机p l c 组成的控制系统，实现手动自动两种控制方式，可 以方便地与现场网络接口通讯。系统具有丰富的组态和控制画面，能储存相关的 历史数据，具有数据打印报表功能。 2 4 本章小结 首先，本章主要对煤炭采样机的结构与原理进行了简单的阐述，使读者能更 好的了解采样机的工作过程；其次，本章对采样机的各组成部件及其原理进行了 介绍；最后，对本论文所设计的采样机的特点进行了说明。 8 长安大学硕士学位论文 第三章煤炭采样机采样装置结构设计 3 1 煤炭采样机采样臂设计 采样臂是采样机构主要核心部件，主要是连接回转机构与采样头，实现采样 头可以任意点进行采样。目前臂有两种结构型式：桁架式和箱形。桁架样式的臂 主要由角钢、钢管或者异型钢管制作，通常是用柔性的钢丝绳牵拉臂的顶部来实 现变幅的，故臂是以受压为主的双向压弯构件；箱形样式的臂主要是液压伸缩缸 式的，变幅是用刚性的变幅液压缸来实现的，故臂是以受弯为主的双向压弯构件。 因为本课题设计的采样机要求承受采样头带来的弯矩，所以我们选择箱型臂作为 采样臂的主要结构形式。 3 1 1 采样臂截面型式的选取 采样臂是整机的核心部件，采样臂的优劣直接影响整机的性能，因此减轻采 样机的臂重，对提高整机经济技术指标有重要意义。 本采样机所采用的采样臂是箱型伸缩臂，此种类臂是受弯为主的双向压弯构 件，除受有整体强度、刚度、稳定性的约束限制外，主要受局部稳定性约束。因 此采用何种截面型式使伸缩臂的自重较小、材料利用充分，是采样臂设计的关键 技术。 目前箱型伸缩臂常见的截面型式有6 种，如图3 1 所示。 0 0 矩形六边形八边形 0 凸口 椭圆形梯形倒梯形 图3 1 箱型伸缩臂截面型式 矩形截面是由上下盖板和腹板焊接而成的。它是目前工程起重机械伸缩臂中 9 第三章煤炭采样机采样机构结构设计 用最常用的截面形式。与其他截面形式相比矩形截面的制造工艺简单，具有较好 的抗弯能力与抗扭刚度，但是，此种截面材料的承载性能并没有充分发挥，同时 为了较好地传递扭矩和横向力，需附加大量的加强筋。 六边形截面侧板窄，压成折弯形，受力合力，下盖板较上盖板宽度小，具有 较高的抗弯曲能力和良好的伸缩导向性，并且上，下导向接触面积较大，有助于 避免基本臂内表面与伸缩臂外表面之间的压力出现局部集中的现象。 八边形截面的下盖板和腹板的宽度比较小，具有很好的稳定性。而且由于前 后方的滑块都是支承在四角处的，故臂的各板不产生局部弯曲，并且可以较好地 传递扭矩与横向力，因此这种截面形式较好地发挥了材料的性能，减轻结构自重。 但此截面臂的制造难，成本高，对大吨位的铁路起重机械，采用这种截面的形式 是较合适的。 梯形截面的上盖板窄，下盖板宽，能很好地发挥盖板的机械性能，提高机构 的稳定性，前部分的滑块主要接近腹板位置，后部分滑块传递给上盖板的集中力， 因上盖板窄，所产生的弯曲力矩小。梯形截面的扭转刚度和横向刚度均较矩形截 面大。梯形截面具有以下缺点：截面的下盖板宽，对局部稳定不利，材料性能得 不到充分发挥，且需要设置侧向支承装置等。 倒置梯形截面的下盖板窄，上盖板宽，局部稳定性有了很有的提高，材料性 能得到了充分得利用，同时具有较大的横向刚度与扭转刚度，安装变幅油缸是较 为有利的，但这种截面有如下缺点：上盖板的局部弯曲和腹板的稳定性很不好， 也需要设侧向支承装置【4 - 5 1 。 八边形、梯形和倒置梯形截面型式的臂通常用于大吨位的机械，通过计算可 以看出，相同截面面积的四边形截面比六边形截面的自重大，大约高于六边形截 面的9 5 ，这会给变幅油缸的设计以及采样机底盘的选取带来很多困难，同时六 边形截面较四边形有很好的稳定性。 因此，本论文选用六边形截面作为采样臂的截面型式。 3 1 2 采样臂尺寸的确定 本论文设计的采样臂是一种箱型伸缩式的采样臂，主要由底座、连接臂和伸 缩臂( 伸缩臂包括基本臂与伸缩臂) 组成。底座固定在回转机构上与回转机构一 起转动，连接臂主要负责连接底座与伸缩臂，伸缩臂是一种由多节臂组合而成的 i o 长安大学硕士学位论文 可以伸缩的臂。 l 、采样臂设计的技术要求 采样臂的设计必须满足以下的条件： 夸1 ) 煤炭采样机的最大采样高度为9 m ； 专2 ) 采样头的最大采样深度为2 5 m ： 夸3 ) 煤炭采样机的采样半径：3 “m ； 夺4 ) 采样机构的回转角度： e l e m e n t t y p e a d d e d i t d e l e t e 命 令，弹出e l e m e n tt y p e 对话框，点击下面的a d d ，弹出l i b r a r yo f e l e m e n tt y p e s 对话框，分别添加板壳单元和粱单元，如图3 4 。 ( a ) 添加板壳单元 ( b ) 添加粱单元 图4 4 选取模型单元 第四章煤炭采样机采样臂有限元分析 4 4 3 材料的特性 本论文设计的采样臂采用的材料为1 6 m n ，上盖板和下盖板厚度为1 0 m m ，两 面侧板的厚度为8 m m ，它的弹性模量为e = 2 0 1 0 1 1n m m 2 ，泊松比为0 2 8 ；材 料密度为7 8 5 9 c m 3 ；重力加速度为g = 9 s m s 2 ，屈服极限为3 4 3 m p a ，许用应 力为2 3 3 。 4 4 4 网格划分 有限元计算所产生的误差主要由简化的模型，网络的划分，以及边界条件和 载荷的施加等方面引起的，其中网络划分的精度对计算结果的精度和可靠性具有 很大的影响。网络划分主要通过观察，局部网格加密和结果误差估计等措施来控 制。 本采样臂的网格采用自定义网格进行划分的，选取线长2 0 m m 为长度对有限 元模型进行划分，其中对于两个臂相接触的地方采用5 0 m m 的线长进行划分。 在a n s y s 中执行m a i n m e n u p r e p r o c e s s e r m e s h i n g m e s ht o o l ，弹出m e s h t o o l 对话框，进行参数设置，分别对上下盖板和侧板进行网格划分，网格划分后 的模型如图3 5 。 图4 5 采样臂网格划分图 长安大学硕士学位论文 4 4 5 施加载荷和约束 1 、载荷的计算 作用于采样臂上的载荷，主要有两种：基本载荷和附加载荷。 1 ) 基本载荷j 基本载荷是指一直作用在采样臂上的载荷，即采样臂正常工作时一定会出现 的载荷，主要包括： 采样臂自重载荷g ，也就是采样臂的重力所引起的载荷，亦称重力载荷， 此载荷由a n s y s 自动计算并施加； 起升载荷q ，指采样臂提升采样头时所需的力，包括采样头的重量和煤样 的重量；对于静载工况，静载系数为1 2 5 ，即采样机的起升载荷为额定载荷的1 2 5 倍；对于其他工况，由于采样机运行平稳，动载荷系数取1 0 5 ，即采样机的起升 载荷为额定载荷的1 0 5 倍： 支反力f ：是指支撑采样臂所克服的力，主要包括变幅油缸的支反力和连 。一 接臂连接处的支反力。 2 ) 附加载荷f 附加载荷是指采样臂在正常工作状态下其结构所承受的非经常性作用的载 荷，包括由工作状态的风、雪、冰、温度变化所引起的载荷。本论文只讨论风载， 工作状态下设定风速为6 级，即风压为1 5 0 p a 。 2 、约束的分析 约束是指对模型中某一部分施加一个限定的条件，在结构分析中主要由两种 限定条件，即转动和平移。一个三维空间模型一共包括六个方向的自由度，即平 移的u x ，u y ，u z 和转动的r o t x ，r o t y ，r o t z 。 第四章煤炭采样机采样臂有限元分析 图4 6 采样臂施加约束和力 本论文设计的采样臂共四处受约束，一处是基本臂的断面，此处要与连接臂 相连，起固定作用，故约束所有自由度；第二处是连杆的低端，此处也与连接臂 的铰接处相连，同样约束所有自由度；第三处是支杆与基本臂底板建立约束方程； 第四处是基本臂与伸缩臂相重合的部分，建立耦合性约束。 在a n s y s 中执行m a i n m e n u s o l u t i o n d e f m el o a d s a p p l y s t r u c t u r a l f o r c e - m o m e m 施加载荷，执行m a i n m e