（机械设计及理论专业论文）采煤机截割滚筒φ20m结构的改进.pdf

太原理工大学硕士生学位论文 采煤机截割滚筒( 0 2 0 m ) 结构的改进 摘要 采煤机滚筒是采煤机用来截煤、碎煤、落煤、装煤的关键部件。采煤 机在工作过程中，滚筒做直线牵引运动和旋转截割运动。在截割煤体过程 中，安装在滚筒端盘和叶片上的镐形截齿，处于间歇式截割煤岩的工作状 态。截齿在切割煤岩时，需要承受较高的周期性剪切应力、挤压应力和较 严重的磨损和冲击。因此，截齿是采煤机采煤过程中需要大量使用的易耗 件。本课题中所使用的某型号滚筒为某企业的产品。该型号的采煤机在工 作过程中，滚筒整体振动情况较严重，各个截齿受力差异比较大，导致各 截齿寿命差异较大，不便于截齿的修配。因此j 本课题主要针对该型号的 采煤机滚筒进行截齿合理布置方面的研究。 课题中以某型号采煤机滚筒为研究对象，采用三维建模软件u g 对滚 筒、截齿、煤岩壁进行建模。装配完成后将模型导入前处理软件即显式动 力学分析软件a n s y s l s d y n a l 2 0 中，建立滚筒截割煤岩壁的有限元模 型，输出求解文件即关键字文件。将关键字文件导入l s d y n a 求解器中求 解，在后处理软件p r e p o s t 中查看求解产生的计算结果文件，得出采煤 机截割煤壁过程的动态仿真图像，并提取各个截齿和滚筒整体受力情况， 绘制出三向力和合外力曲线图。在对各截齿受力情况进行对比和分析后， 通过调整截齿的安装角度来改善截齿受力状况。经过对安装角度的反复调 整后，达到各截齿受力均衡，滚筒整体振动平稳的要求。经过本课题的研 究，达到了采煤机各截齿受力均匀，寿命差异减小，滚筒整体振动平稳， i 太原理工大学硕士生学位论文 整机截割性能得到提高的目的。 关键词：采煤机，滚筒，截齿，数值模拟，结构改进 t h es t r u c t u r e i m p r o v e m e n tf o rc u t t i n gr o l l e r ( 2 0 m ) o ft h ec o a l c u i t i n gm a c h i n e a b s t r a c t t h er o l l e ro fc o a lm i n i n gm a c h i n ei s t h ek e yc o m p o n e n to fc o a lm i n i n g m a c h i n ew h i c hi su s e dt oc u tc o a l ，b r e a kc o a la ，f a l lc o a la n dl o a dc o a l d u r i n g t h ew o r k i n gp r o c e s s ，r o l l e rd ot h et r a c t i o nm o v e m e n t b ys t r a i g h tl i n ea n dr o t a w c u t t i n gm o v e m e n t i nt h ec o a l - c u t t i n gp r o c e s s ，t h ep i c k s h a p e dc u t t e r sw h i c ha r e i n s t a l l e do nt h ee n dp l a t eo fr o l l e ra n db l a d e s ，a r ei nt h es t a t eo fi n t e n n i t t e n t c u t t i n go fc o a l w h e nt h ep i c k sc u tc o a l ，t h e yn e e dt ow i t h s t a n dt h eh i g h e r c y c l i c s h e a rs t r e s s ，e x t r u s i o n s t r e s s ，m o r es e v e r ea b r a s i o na n di m p a c t t h e r e f o r e ， c u t t i n gp i c k so nt h er o l l e ra r eal a r g en u m b e ro fc o n s u m a b l ep a r t si nt h ep r o c e s s o fm i n i n gc o a l t h er o l l e ru s e di nt h i st o p i ci sa p r o d u c to fac o m p a n y i nt h e c o u r s eo ft h i st y p eo fc o a lm i n i n gm a c h i n e w o r k ，t h eo v e r a lr o l l e r ，sv i b r a t i o ni s ：s e r i o u s ，t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nf o r c e so np i c k sa r el a r g e ，w h i c hl e a d st ol a r g e l d i f f e r e n c e sb e t w e e nl i v e s s oi ti s i n c o n v e n i e n tt om a k er e p a i r sa n ds u p p l y r e p l a c e m e n t s a c c o r d i n g l y , t h i st o p i cp r i m a r i l yi n t e n d st os t u d yo ns t r u c t l l r a l lm p r o v e m e n to ft h ec o a l m i n i n gm a c h i n e sr o l l e r t h i st o p i cs t u d i e sam o d e lo fc o a lm i n i n gm a c h i n e sr o l l e r t h ea u t h e ru s e 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 gt ob u i l dt h em o d e lo f r o l l e r , c u t t i n g p i c k sa n dc o a lw a l l w h e nt h ea s s e m b l yi s c o m p l e t e d ，i m p o r tt h em o d et ot h e 1 1 1 p r e t r e a t m e n ts o f t w a r e ，t h a ti s ，e x p l i c i td y n a m i ca n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s l s - d y n a12 0t oe s t a b l i s hf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fm i l e rc u t t i n gc o a l ，o u t p u t s o l u t i o nf i l e sn a m e l yk e y w o r df i l e i m p o r tt h ek e y w o r df i l et ot h es o l v e r l s d y n a v i e ws o l u t i o nr e s u l t sf i l e si np o s tp r o c e s s i n gs o f t w a r ep r e - p o s t d r a wt h ed y n a m i cs i m u l a t i o ni m a g e so fc o a lm i n i n gm a c h i n e sc u t t i n gp r o c e s s a n de x t r a c tt h ef o r c eo fi n d i v i d u a lp i c k sa n do v e r a l lr o l l e r d r a wt h et h r e e a x i s f o r c ea n dr e s u l t a n tf o r c e a f t e rc o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h ef o r c eo np i c k s ，t o i m p r o v et h es i t u a t i o no ff o r c e ，a d j u s tt h ei n s t a l l a t i o na n g l e so f t h ec u t t i n gp i c k s a f t e rr e p e a t e da d j u s t m e n t st ot h ei n s t a l l a t i o na n g l e s ，m a k et h ef o r c eo np i c k s b a l a n c e da n dt h er o l l e ro v e r a l lv i b r a t es m o o t h l y a f t e rt h es t u d yo ft h es u b je c t ， t h es u b j e c to ft h i sr e s e a r c ha c h i e v e dt h ep u r p o s eo ft h ef o r c eo fc u t t i n gp i c k so n t h em i l e r a v e r a g e ，d i f f e r e n c e sb e t w e e nl i v e sr e d u c e d ，t h er o l l e ro v e r a l lv i b r a t e s s m o o t h l ya n dt h ew h o l em a c h i n ec u t t i n gp e r f o r m a n c ei m p r o v e d k e yw o r d s ：c o a lm i n i n gm a c h i n e ，c u tr o l l e r , p i c k ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， s t r u c t u r ei m p r o v e m e n t i v 太原理工大学硕士生学位论文 1 1 课题研究目的和意义 第一章绪论 采煤机在煤矿开采过程中起着十分重要的作用。采煤机在工作过程中，截割部直接 参与到截割煤岩中，消耗在截割部上功率最大，可以占到整个采煤机功率的百分之八十 至百分之九十【1 1 。采煤机滚筒是采煤机用来截煤、碎煤和落煤的关键部件。采煤机在工 作过程中，滚筒做直线牵引运动和旋转截割运动。在截割煤岩过程中，安装在滚筒端盘 和叶片上的镐形截齿，处于间歇式截割煤岩的工作状态【2 1 。截齿在切割煤岩时，需要承 受较高的周期性剪切应力、挤压应力，同时还伴有较严重的磨损和冲击。只要其中一个 或几个截齿损坏较严重，就会导致相邻截齿所受载荷增大，从而加快截齿的磨损和破坏 【3 】。随着我国煤炭产量的不断增加，对截齿的需求量也越来越大。对截齿使用情况的一 项调查表明，国内多数厂家生产的截齿消耗率较大。在国内每生产一万吨煤炭，综采工 作面需要消耗截齿数量为3 0 把，联采工作面为8 0 至1 2 0 把，最大消耗量甚至可达2 0 0 把，在国外综采工作面上截齿的损耗率在2 0 把万吨。本课题中所用采煤机滚筒在实际 生产中，滚筒上各截齿之间的受力不均衡，导致各截齿寿命差异较大，往往总是某几个 截齿严重磨损甚至破坏，为截齿的维修和更换工作带来了很大不便，同时滚筒整体振动 情况较严重，对采煤机整机的截割性能和使用寿命造成不利影响。 以往对采煤机滚筒的研究多是集中于理论分析和试验模拟，并不能准确研究滚筒截 割煤岩这一复杂问题。对本课题运用显式动力学数值模拟技术，模拟采煤机滚筒截割煤 岩壁的过程，并提取出滚筒截割煤岩过程中滚筒整体和各个截齿载荷变化情况，通过优 化滚筒结构，改善滚筒和截齿工作载荷。运用动力学数值模拟技术，真实地再现了采煤 机截割煤岩这一过程，与传统方法相比较，不仅大大缩短实验研发周期、减少劳动强度， 而且对问题的认识更加形象和深刻，本文这种分析方法一方面用来指导滚筒结构的改 进，另一方面对采煤机滚筒的理论设计研究也有一定的借鉴意义。 1 2 国内外研究动态 上世纪七十年代开始，我国主要靠进口采煤机来满足国内的生产需要，国内技术人 员通过对国外采煤机分析和研究，摸索采煤机滚筒设计理论，对采煤机的研究处于引进， 太原理工大学硕士生学位论文 消化，仿制阶段【4 】。改革开放以来，采煤机在我国得到了较大的发展，国内的许多高校、 研究院所和煤炭企业都对采煤机滚筒有了广泛而深入的研究，在进行理论分析的同时， 虚拟样机技术、有限元分析、数值模拟技术等一些先进的计算机辅助工程技术也应用到 研究当中f 5 卅。 黑龙江科技学院的任昌玉，于信伟在“采煤机端盘截齿排列及安装条件”一文中， 对采煤机滚筒端盘上的截齿受力情况进行了研究。文中分析了端盘上截齿的不同安装角 度对滚筒受力和截齿使用寿命的影响，确定了合理的角度范围【7 】。 李晓豁，麻晓红等在“连续采煤机截齿受力的可视化模拟研究”一文中，对截齿受 力进行了可视化的模拟。在可视化模拟过程中，涉及了煤岩的材料、截齿的排列方式、 截齿的几何形状参数、滚筒的转动速度等因素。通过调整各项参数的值，提取各个截齿 的受力曲线，得出截齿在截割过程中所受到三向力的最大值、最小值、平均值等载荷统 计值【8 1 。 中国矿业大学的刘送永，杜长龙，崔新霞在“采煤机滚筒截齿排列的试验研究”一 文中，根据不同的滚筒螺旋叶片头数及叶片上截齿排列方式，对四种不同截齿排列的滚 筒在试验台上进行截割试验，研究不同截齿排列情况下滚筒上载荷的波动情况及对块煤 率的影响【9 1 。 郭迎福，张永忠，刘德顺等在“采煤机滚筒载荷计算机仿真及降低载荷波动的对策 一文中，在计算机中对滚筒所受载荷情况进行了仿真，通过改变端盘和叶片上截齿排列 的相对位置，减轻载荷波动程度【1 0 1 。 太原理工大学的王峥荣，熊晓燕在“基于l s d y n a 采煤机镐型截齿截割有限元分 析”一文中，用p r o e n g i n e e r i n g 建立采煤机截齿截割煤岩的三维模型，在显示动力学分 析软件l s d y n a 中对镐型截齿截割煤层这一动态过程进行模拟。在后处理过程中提取 截齿所受外力、速度、加速度及等效应力等参数，分析了滚筒端盘上截齿的不同安装角 度对块煤率的影响【i l 】。 在2 0 世纪4 0 年代初期，英国和前苏联先后研制成功了链式采煤机。进入6 0 年代 后，英国等一些西方国家在滚筒结构研究方面取得了较大的进展：一是在生产过程中可 以调节截割滚筒的高度，极大地提高了滚筒对煤层的适应能力；二是对滚筒的结构做出 了革命性的改进，用螺旋叶片式截割滚筒替代了原先的圆筒形截割滚筒，使滚筒的装煤 能力有了大幅度的提升【1 4 j7 1 。在截齿研究方面，前苏联对截齿截煤负荷的理论计算进行 了深入的探讨，英国研究人员应用计算机技术，模拟仿真采煤机滚筒及截齿上的载荷变 2 太原理工大学硕士生学位论文 化情况 1 2 - 1 3 。近些年国外的很多企业和科研院校在进行滚筒结构研究时，都采用虚拟 样机技术，有限元分析技术等一系列前沿的研究方法，促进了采煤机截割理论的快速发 展，在世界采煤机滚筒研究领域处于领先水平【1 7 - 2 l 】。 1 3 论文的主要研究内容 本文以数值模拟分析技术为支持，利用u g ，a n s y s l s d y n a 及p r e p o s t 等工 程应用软件为分析工具，在u g 软件中建立截齿、滚筒、煤岩的三维实体模型，在显式 动力学分析软件a n s y s l s d y n a 对滚筒截割煤岩这一过程进行数值模拟仿真，在后 处理分析软件p r e p o s t 中查看和分析求解产生的结果文件。根据仿真结果设计改进滚 筒结构的方案，对采煤机滚筒整体和截齿受力情况进行优化。论文主要内容包括以下几 点： ( 1 ) 在u g 7 0 中建立采煤机滚筒、截齿和煤岩的三维模型，装配完成后将模型导入 到显式动力学分析软件a n s y s l s d y n a l 2 0 中。 ( 2 ) 在a n s y s l s d y n a l 2 0 中建立滚筒截割煤岩的有限元分析模型，然后将记录 有限元模型信息的关键字文件即k 文件导入l s d y n a 求解器中进行求解。 ( 3 ) 求解完成后，在后处理软件p r e p o s t 中观察和分析求解结果，查看采煤机滚 筒截割煤岩时的数值模拟动画过程，并提取截割过程中不同时刻各个截齿和滚筒整体受 力变化曲线图。通过统计和分析受力曲线图，计算出受力差异系数。 ( 4 ) 将各个截齿所受外力情况进行分析和比较，采用改变截齿安装角度的方法，调 整各截齿在滚筒上的安装角度，使各截齿受力趋于合理，截齿之间所受外力差异减小， 滚筒整体振动较平稳。通过反复不断地调整安装角度和进行动态仿真，将数值模拟结果 进行对比分析，得出一个较好的优化方案。 1 4 技术路线 本课题以采煤机滚筒为研究对象，在显式动力学分析软件中模拟滚筒截割煤岩过 程，根据模拟结果优化滚筒结构，以改善截齿受力状况和滚筒整体波动情况。本文采用 的技术路线如图1 1 所示： 太原理工大学硕士生学位论文 - 二一 图1 1 技术路线 f i g 1 - 1t e c h n i c a ll i n e 4 太原理工大学硕士生学位论文 第二章显式动力学分析基础 2 1 显式动力学有限元法 在用有限元方法进行分析时，根据求解原理的不同，可以分为静态隐式求解和动态 显式求解两种。在静态隐式算法中，增量步理论上可以很大，但在实际求解过程中可能 受到摩擦、接触等外界条件的限制，对计算机的内存要求较高，同时还容易出现收敛问 题及奇异刚度矩阵问题。与静态隐式求解相比，显式动态求解的最大优点就是求解稳定 性好。此外，动态显式算法在进行显式时间积分时采用的是中心差分法，避免了收敛控 制问题的出现，同时求解需要的计算机内存也比静态隐式算法要少。在实际工程中，往 往采用动态显式求解方法解决有关大型运动系统的问题【2 2 】。本课题中采用动态显式算法 进行滚筒截割煤岩的数值模拟，不仅求解效率高，而且比静态隐式算法能更好的模拟截 齿工作的实际情况。 2 2c a e 模拟计算软件的选择 本课题中对采煤机滚筒截割煤岩过程的仿真属于侵彻破坏一类的仿真。当前应用于 侵彻问题比较流行的通用类商用软件有m s c 公司的m s c d y t r a n 程序和l s t c 公司的 l s d y n a 程序。m s c d y t r a n 是全球第一个能够用完全耦合的方法模拟复杂的流体 结构相互作用的大型商用软件。m s c 公司在l s d y n a 3 d 的基础上，结合荷兰p i s c e s i n t e r n a t i o n a l 公司开发的高级流体动力学和流体结构相互作用仿真软件p i c s e s ，在 欧拉模式算法基础上，开发了先进的物质流动算法和流固耦合算法，使得m s c d y t r a n 向领导c a e 自动化迈进了一大步。但m s c d y t r a n 也有不足之处，该程序所提供的材 料模型不够丰富，特别是没有适合本课题中被侵彻对象煤岩的材料，给数值模拟带来了 很大的不便。虽然m s c d y t r a n 程序也提供了一些材料模型的接口，可以用户自定义 材料，但是材料模型与软件对接起来较困难，而且m s c d y t r a n 程序在接触算法的种 类上也没有l s d y n a 丰富。 l a t c 公司的l s d y n a 是世界上最著名的通用显式非线性动力分析程序，能够模拟 真实世界各种复杂几何非线性、材料非线性、接触非线性问题，特别适合求解各种二维、 三维非线性结构的高速碰撞，爆炸、金属成型等非线性动力冲击问题。l s d y n a 拥有 太原理工大学硕士生学位论文 1 5 0 多种金属和非金属材料模型，包括金属、塑料、玻璃、泡沫、橡胶、复合材料、粘 土、炸药、粘性流体等各种材料，还支持用户自定义材料【2 引。材料模型库中的岩土类模 型适用于本课题中煤岩模型的模拟，通过输入材料选项中的各项参数来定义煤岩的属 性。目前l s d y n a 有5 0 多种接触方式，不仅可以求解各种柔体对柔体，刚体对柔体， 刚体对刚体等接触问题，而且可以分析接触表面的静动力摩擦，固连失效，以及流体与 固体的界面等问题。课题研究中滚筒截割煤岩的数值模拟可以使用其中的侵蚀接触来模 拟侵彻过程【2 4 】。 通过对比分析这两种动力学仿真程序，l s d y n a 程序更适合用于进行采煤机滚筒 截割煤岩过程的数值模拟。l s d y n a 有l a g r a n g e 、a l e 、e u l e r 三种算法，它计算的可 靠性已经被无数次的试验证明f 2 5 之7 1 。 2 3l s d y n a 仿真算法 目前的数值计算方法有两种，一种是直接求解基本方程及相应的定解条件的近似 解，这种求解方法以有限差分法为代表，不适于求解模型几何形状较为复杂的问题。另 一种是等效积分法，先建立与原问题及相应定解条件等效的积分，再在此基础上建立近 似解法。 ( 1 ) 控制方程： l s - d y n a 采用l a g r a n g 摊增量法，在进行初始构型时，质点x 的坐标为x ，( f - - 1 ，2 ，3 ) ，在现时构型时，质点x 在空间的坐标为一( 净1 , 2 ，3 ) 。质点的运动方程可以表 示为 z j3x f i ，力( i , j 2 1 , 2 ，3 )( 2 1 ) l s d y n a 中的场方程是基于物理学中的质量守恒、动量守恒及能量守恒等定律建 立，利用伽辽金法建立有限元求解方程。 伽辽金法弱形式平衡方程为： - o - u ，一p f ) g x , d v + f ( - c r u ) n j g x ，d s + i c r o n j - t j s x , d s = o ( 2 2 ) 矿 s o s l 应用散度定理： ，仃矿8 x ，n j d v = ，o i j 6 x ，n j d s + ( 仃；一仃i ) ”，溉i d s ( 2 3 ) ys s 0 将上式改写成为： 6 太原理工大学硕士生学位论文 翻= l , a t i i d v + l t r u s x f d v - l 阿。融。d v - t i & i d s = o q q 矿矿r s 1 此式是虚功原理的变分列式。 其中：勋总的能量，y 空间物体的相对体积。 ( 2 ) 对伽辽金法弱形式的平衡方程进行单元离散化： 单元内任意点的坐标可以用节点坐标插值表示为 x i ( 善，巧，f ，f ) = 办( 孝，r ，px ( t ) ( 2 5 ) j = l 式中：孝，7 7 ，f 为自然坐标，x j i ( t ) 为t 时刻第个节点的坐标值，形状函数，( 孝，r ，p 为 ，参r ，p2 言q + g ) o + 7 7 谚) ( 1 + 筠) ( j = 1 ，2 ，磅 ( 2 6 ) 式中： ( 彭，砚，旬) 为单元第个节点的自然坐标。 形状函数的矩阵形式的表达式为： 勋= 勋。= 蠡盯【p r n d v x2 + i b r c r d v 一，刎r f d v 一n r t d s = 0 ( 2 7 ) 式中：柯西应力变量盯丁= 仃。o y 吒盯掣仃弦盯。】，应变位移矩阵b 为： 剀= 】 ( 2 8 ) 体力矢量f r = 【： 五六】，面力矢量t r = i t lt 2t 3 ，n 为单元数。 通过单元计算并组集后，得到： m x ( f ) = p ( x ，f ) 一f ( x ，x )( 2 9 ) 一 3 2 一1 o o a一屯o a一熟a一 o a 一 o a一甄a一甄 o a 一巩 o o a 一缸 o a 一觑 太原理工大学硕士生学位论文 式中：m 为总体质量矩阵，x ( f ) 为总体节点加速度矢量；p 为总体载荷矢量，由节点载 荷、面力、体力等形成；f 为单元应力场的等效节点力矢量，即： f = np r 耐y ( 2 1 0 ) ”1 ( 3 ) 用l s d y n a 对采煤机滚筒截割煤岩进行数值模拟时，单点积分单元容易产 生零能模式，即沙漏模态。沙漏是种零能变形模式，它的频率震荡比结构全局响应高 得多。沙漏的出现会导致结果无效。控制沙漏常用的方法是采用沙漏粘性阻尼。在单元 节点处引入沙漏粘性阻力。各单元的沙漏粘性阻尼力组集成总体结构沙漏粘性阻尼力， 总体结构沙漏粘性阻尼力用h 表示。运动方程为： m x ( f ) = p f + h c x( 2 11 ) 在己知t 。时刻的加速度为： x ( t 。) = m 。1 p ( f 。) 一f ( t 。) + h ( t 。) 一cx ( t1 ) 】 ( 2 1 2 ) 4 一i 则，州时刻的速度和位移可由下式求得： 之( f 。+ ；) = 立o 。一；- 丢( a t n _ 1 + a t n ) 主( f 。) ( 2 1 3 ) x ( t 川) = x ( t 。) + a t 。x ( t1 ) ( 2 1 4 ) ”i 计算过程中采用集中质量矩阵m 进行中心单点积分，很大程度上节省了存储空间和 求解时间。 2 4 显式时间积分与时步控制 l s d y n a 计入阻尼影响后离散化结构运动方程为【2 8 】： 朋爿= p f + 月一c x 在进行时间积分时采用显式中心差分法，其基本格式为： x o 。) = m q 只f 。) - f ( t 。) + 厶“f 。) 一c 顶f1 ) 】 ”1 二( f 。+ ! ) = 二( f 。一! ) + ：1 i ( f 。一1 + a t n ) ( f 。) ”+ = ”一一2 z ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 太原理工大学硕士生学位论文 x ( t 槲) = x ( t 。) + a t 。x ( t1 ) ”j 其中：t n - 1 1 2 = ( t n + f 。一1 ) 2 ，t 。+ l 2 = ( f 。+ f 。+ 1 ) 2 ，a t 。一l = ( f 。一t n - 1 ) x o 。一1 ) ， a t 。= ( t 州一t n ) x ( f 。) ，x ( t 。) 为t 。时刻节点的加速度向量，石( f 槲2 ) 为t 柑，2 时刻节点的速 度向量，x ( 乙+ ，) 为t 川时刻节点的位置坐标向量。 l s d y n a 程序中每一时刻的积分时步由当前稳定性条件控制。为了保证算法的稳 定，积分步长需小于某一临界值，一般时步由网格单元中最小的单元来决定，即： a t = m i n a t 小，吒。)( 2 1 7 ) 式中：f “为第i 个单元的极限时步长，为单元的总数。 在显式动力学分析程序l s d y n a 中，各种单元的极限步长可以用以下式子来表示， 即： a t 。= 口( l c )( 2 1 8 ) 式中：口为时步因子，程序默认为0 9 ，c 为材料的声速，l 为单元的特征尺度。单元的 类型不同，材料声速和特征尺度也不同，具体计算方法如下表所裂2 9 1 。 表2 - 1 不同单元类型的特征尺度l 与材料声速c t a b 2 1d i f f e r e n tt y p e so fc h a r a c t e r i s t i cs c a l e sla n dm a t e r i a lv e l o c i t yo fs o u n dc 单元类型特征尺度l材料声速c 实体单元 圪a 。a x e ( 1 一。) 1 ( 1 一2 ) p 杆和梁单元lei石 壳单元 ( 1 + p ) a 。 e m a x ( l l ，l 2 ，l 3 ，( 1 一) 厶) 、j ( 1 - 2 ) p 后壳单元 圪a 。 2 5 计算流程简介 a n s y s l s d y n a 分析过程包括问题的规划、前处理、求解及后处理四个部分， 如图2 1 所示。 9 奎堕望三奎堂堡主生堂垡笙塞 一- _ 一 图2 1l s - d y n a 分析流程图 f i g 2 1 f l o wc h a r to fl s - d y n aa n a l y s i s 2 6a n s y s l s d y n a 的程序组织和文件系统 a n s y s l s d y n a 程序的架构分为两层：起始层和处理层。起始层是进入 a n s y s l s d y n a 界面时所处的环境，在起始层可以通过菜单栏实现g u i 操作，或者 直接输入命令行或者是命令流。处理层由前处理器、后处理器及l s d y n a 求解器等组 成。a n s y s l s d y n a 程序的组织构成如图2 - 2 所示。 1 0 太原理工大学硕士生学位论文 进入a n s y s l s d y n a退出a n s y s 几s d y n a 7 弋 开始层( b e g i n n i n gl e v e l ) 王 王 王 王 前处理器求解器后处理器后处理器 p r e p 7l s d y n ap o s t lp o s t 2 6 图2 2a n s y s l s d y n a 的程序 f i g 2 2 t h ep r o g r a mo fa n s y s l s d y n a a n s y s l s d y n a 程序中的文件系统包括关键字k 文件及计算结果输出文件。关 键字k 文件是一个包含所有几何、载荷和材料数据等信息的a s c i i 文件。计算结果输 出文件有a n s y s 格式和l s p r e p o s t 格式。a n s y s 格式的结果文件可以在a n s y s 的后处理器p o s t l 和p o s t 2 6 中查看结果。l s p r e p o s t 格式的结果文件可以在 l s p r e p o s t 后处理器中查看结果。本课题中运用的后处理器为l s p r e p o s t ，在关键 字k 文件中设置计算结果输出格式为l s p r e p o s t 格式。 2 7 本章小结 本章中简要介绍了显式动力学有限元法，通过对比分析两类显式非线性动力分析程 序，选择a n s y s l s d y n a 程序对采煤机滚筒截割煤岩进行数值模拟仿真，介绍了 a n s y s l s d y n a 程序的仿真算法及计算流程，为本课题中滚筒截割煤岩数值模拟分 析奠定了理论基础。 奎堕堡三奎堂堡主竺兰垡笙塞 - 一 太原理工大学硕士生学位论文 第三章滚筒截割煤岩的数值模拟分析 本章将在u g 中建立采煤机滚筒、截齿和煤岩的三维简化模型，将装配好的模型导 入显式动力学分析软件a n s y s l s d y n a l 2 0 中，建立滚筒截割煤岩的有限元分析模 型，并对截割过程进行动态仿真。在后处理软件p r e p o s t 中提取滚筒整体和各个截齿 受力曲线图，并对受力情况进行统计和分析。 3 1 滚筒、截齿与煤岩三维模型的建立 采煤机滚筒的基本结构包括筒毂、端盘、螺旋叶片、截齿、喷雾系统等几部分，如 图3 1 所示。截齿安装在螺旋叶片顶端和端盘周边上，轮毂和滚筒轴固定在一起。在叶 片和端盘上齿座的附近装有内喷雾用的喷嘴，利用喷嘴喷水实现除尘作用【3 0 。课题中研 究的采煤机滚筒上截齿的配置方式为顺序配置，滚筒截割煤岩时，截齿一个紧挨一个， 每个截齿截割的煤体呈单向裸露。滚筒为三叶片螺旋式，端盘和叶片上面总共安装有4 2 个截齿。每个螺旋叶片上焊有保护叶片用的耐磨板。螺旋滚筒结构较为复杂，主要结构 参数有滚筒直径、滚筒宽度、螺旋升角、截线间距、截齿安装角等。 图3 - 1 滚筒结构图 f i g 3 1r o l l e rs t r u c t u r e 本课题中三维简化模型的建立使用的是u g 7 0 软件。u g 是集c a d c a e c a m 一体 的三维参数化软件，具有强大的三维建模能力，是当今世界最先进的计算机辅助设计、 分析和制造软件之一。另外，u g 是基于p a r a s o l i d 建模，与a n s y s 软件有很好的兼容 性，这样在u g 7 0 中建立的滚筒简化模型可以顺利导入到a n s y s 软件中，不会丢失模 太原理工大学硕士生学位论文 型尺寸等关键参数。课题中用到u g 软件中的三维建模和装配模块。在建模环境中，建 立滚筒、截齿和煤岩的三维模型，在装配环境中，将截齿按照一定的装配要求虚拟装配 在滚筒上。 3 1 1 镐形截齿三维模型的建立 镐形截齿由截齿体和刀头组成，刀头镶焊在截齿体上，截齿体的材料一般为4 0 c ， 3 5 c r m n s i 等合金钢，刀头材料为硬质合金钢，常用y g 一8 c ，y g 一1 1 c 等材料制造，具有 较高的强度和韧性。在建模时，先建立刀头的模型，然后建立截齿体模型，将两者求和 成为一体。为简化建模，省略截齿上的圆弧倒角，建立镐形截齿的三维模型，如图3 2 所 不。 蘩i 藕誊鬻豢戮蒸鬻黎1 | | | | 1 | | | 鬻黧耄i i 繁：i j 鬻 # 二。耕j 、铆* 槲、鞴训：i j ” 誉i 爹；霉i ii 萋* i $ 蓦7 燮i 兰曩赞i 萼誊 煮尊蓦萎? 蟊。i 薹薯黛僦蠢蠢i 黛辨蠢蠢矗奢蠢鬻蹦? 鬻。冀。囊薷囊葺巷糍囊誊虢 ：鬟鹫囊! ii 篱篓鎏i 鬟要”! 誊? 墓! i ；篓i i ：； 簪j 曩 一；。誊薯誊毫舞j 囊：= ； 毫i 誊t 鬻荔巍? 图3 - 2 截齿三维模型 f i g 3 - 2t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo f p i c k 3 1 2 齿座三维模型的建立 镐形截齿安装在齿座上，从而确定截齿在滚筒上的准确位置。本课题中不研究截齿 与齿座之间的受力情况，为了加快仿真求解速度，在不影响截齿受力的前提下，尽量简 化齿座模型，省略了凸台、喷水孔等结构特征。在u g 7 0 中建立的齿座三维简化模型如 图3 - 3 所示。 1 4 太原理工大学硕士生学位论文 图3 3 齿座三维模型 f i g 3 3t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo f p i c kh o l d e r 3 1 3 滚筒三维模型的建立 按照技术图纸建立采煤机滚筒的三维模型。在进行采煤机滚筒截割煤岩的数值模拟 过程中，不考虑滚筒内部的传动和联接装置，对滚筒独立施加约束和初始速度，因此在 建模时省去了滚筒内部较复杂的机械传动结构。此外，在滚筒上还有用于减少煤尘的喷 雾装置和起保护叶片作用的耐磨板，不影响滚筒截割煤岩时截齿和煤岩之间的受力，为 了在动态仿真时减少内存消耗，加快计算求解速度，在建模时省略了这一结构特征。在 u g 7 0 中建立的采煤机滚筒三维简化模型如图3 4 所示。 图3 - 4 滚筒三维模型 f i g 3 4t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fr o l l e r 太原理工大学硕士生学位论文 3 1 4 截齿和齿座的装配 在u g 7 0 中建立好各零件的模型后，在装配模式下进行装配。在采煤机滚筒上，截 齿跟齿座装配在一起，齿座装配在滚筒上，为此，先进行截齿和齿座的装配。在理论设 计中，截齿在截割过程中受到外力作用时，可以在齿座中做旋转运动。由于实际工况条 件恶劣，煤粉容易堵塞截齿与齿座的缝隙，往往导致截齿不能实现旋转。所以装配时不 考虑截齿在齿座中的转动，采用面面接触的装配方法，将截齿装配在齿座上，如图3 5 所示。 图3 - 5 装配后的截齿和齿座三维模型 f i g 3 - 5t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo f p i c ka n dh o l d e ra f t e ra s s e m b l y 3 1 5 滚筒的装配 将齿座安装在滚筒的端盘和叶片上。装配时按照装配图中的轴线距、安装角度、圆 周角等参数，用配对中的面面接触和旋转角度等方法，将4 2 个截齿安装在采煤机滚筒 上。在u g 7 0 中装配完成的滚筒三维模型如图3 - 6 所示。 图3 - 6 截割滚筒三维模型 f i g 3 6t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fc u t t i n gr o l l e r 1 6 太原理工大学硕士生学位论文 3 1 6 干涉检查 将滚筒与截齿装配好后，需要检查滚筒和各截齿之间是否存在静态干涉情况。发现 可能存在的干涉，并进行相应的调整，以保证模型虚拟装配的正确。经过u g 中简单干 涉情况的检查，结果提示滚筒和截齿装配过程无干涉情况发生。如图3 7 所示。 落之闻没有手涉 图3 7 无干涉信息框 f i g 3 7i n f o r m a t i o nb o xo fn o n - i n t e r f e r e n c e 3 1 7 煤岩三维模型的建立 在采煤机实际工作过程中，井下的煤岩是处于地下几百米甚至是上千米的一个体积 无限大的实体。在建立煤岩的三维模型时，建立一个无限大的模型是不切实际的。本课 题中在对滚筒截割煤岩进行数值模拟时，可以在煤岩表面添加设置无反射边界条件，用 来模拟广阔的井下煤岩实体。课题中建立一个长方体模型来模拟煤岩实体，长方体的规 格为3 0 0 0 m m 2 2 0 0 m m 2 5 0 0 m m 。 3 2 滚筒截割煤岩数值模拟模型的建立 3 2 1 三维模型的导入 u g 7 0 与a n s y s l s d y n a l 2 0 的兼容性较好，后者提供的几何模型修复功能还可 以对导入的实体模型进行修复，以保证网格的成功划分。通过两者之间的数据转换，将 装配好的采煤机滚筒模型和煤岩模型导入到显式动力学分析软件a n s y s l s d y n a l 2 0 中，在有限元软件中生成实体模型，然后通过设置单元类型、材料模型、网格划分等 有限元分析选项，建立采煤机滚筒截割煤岩的有限元分析模型。在有限元软件中生成的 实体模型如图3 8 所示。 太原理工大学硕士生学位论文 图3 - 8 滚筒和煤壁三维模型 f i g 3 - 8 t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fd r u ma n dc o a lw a l l 3 2 2a n s y s l s d y n a 的单位制 a n s y s l s d y n a 程序要求在建立模型时，必须向程序提供统一单位制的数据，否 则将不能得到正确的分析结果。a n s y s l s d y n a 软件并没有为分析制定系统单位。在 分析时，可以使用任何一套自封闭的单位制 3 1 1 ，只要保证输入的所有数据的单位都是正 在使用的同一套单位制里的单位即可。本课题中在建模时使用的是u g 软件中默认的长 度单位r n i n ，而数值模拟分析过程中选用单位制为厘米一克毫米。因此在将三维模型导 入a n s y s l s d y n a l 2 0 程序中后，为保证单位制的统一，在模型尺寸缩放比例中将比 例因子设置为o 1 ，实现尺寸单位由毫米改为厘米的目的。 3 2 3 有限元单元类型选择和材料参数设定 ( 1 ) 有限元单元类型的选择 滚筒和煤岩的有限元单元类型均设置为3 ds o l i d l 6 4 单元。该单元是用于三维模型 的显式结构实体单元，由8 节点组成，每个节点具有的自由度为9 ，适用于显式动力学 分析，并支持所有许可范围内的非线性特性 3 2 1 。该单元没有实常数，因此不需要对实常 数进行设置。 ( 2 ) 定义单元选项 太原理工大学硕士生学位论文 对于3 ds o l i d l 6 4 单元，需要设定实体单元和算法，在实体单元设定中设置单元 算法为缺省单元算法，为避免出现沙漏问题，设置积分方式为单点积分。 ( 3 ) 材料模型的设定 定义材料的本构模型在数值模型的建立过程中起着十分重要的作用，它决定着模拟 仿真的精度及结果的可靠性。l s d y n a 拥有1 5 0 多种金属和非金属材料模型，包括金 属、塑料、玻璃、泡沫、橡胶、复合材料、粘土、炸药、粘性流体等各种材料，还支持 用户自定义材料。在a n s y s l s d y n a l 2 0 中，可以将三维模型中硬度较高，变形量较 小的的零件设置为刚性体，这样可以大大减少显式分析求解的计算时间。再