（机械电子工程专业论文）采煤机调高系统虚拟样机研究.pdf

查墨兰三奎兰塑主! 茎竺兰堡竺苎! ：! 墨壁呈墨垒 论文题目：采煤机调高系统虚拟样机研究 摘要 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 作为现 代设计错4 造领域的一f 1 薪技术，为传统的机械产品设计注入了 新的活力。本文采用虚拟样机技术对采煤机调高系统的动力学 进行了研究。 本文采用p r o e 软件建立了系统的机械结构的几何模型， 再通过p r o e 与a d a 淞问的接口，将机械结构的几何模型导入到 机械系统动力学分析软件a d a m s 中，建立了采煤机调高系统数 字化模型。 通过对系统阶跃响应分析，聪虚拟样机模型进行了掺正， 得出了液压系统的固有频率大约在1 4 h z 。修正后系统性能明显 改善。 系统的频率响应仿真与分手厅，得出了系统对不同频率正弦 信号的响应，进一步验证了调高系统的固有频率为1 4 h z 。系 太厦理工大学硕士研究生学位论文 统对中频和高频信号衰减很快。 最后，模拟实际割煤载荷，通过a d a m s 与m a t l a b 间的接口， 给系统麓加服从正态分布的驻机信号，并褥出了系统的动态响 应。包括各铰接点的力、加速度变化曲线，阻及液匿系统的动 态响应。验证了系统的固有频率，为液压系统设计中参数确定 和元件选取提供了依据。 总之，采煤机截剖部虚拟样机的研究，是先进的设计、分 析、仿真技术应用于采谋机设计中的初步尝试，为设计经济、 可靠、稳定的搿性能采煤机提供了有力的工具和实现方法。 关键字； 采煤杌虚拟样机 液疆系统动态仿真 a d a m s动力学分析 h 太氰理工太学硬士研究生学位论文 vir t u a lp r o t o t y p er e s e a r c ho ns h e a r e r s r e g u l a tln gs y s t e m a b s t r a c t a san e wt e c h n o l o g yi nt o d a y sd e s i g na n dm a n u f a c t u r e f i e l d s ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yb r i n g sn e we n e r g yt ot h e t r a d i t i o n a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r e t h i sp a p e rh a sa t t e m p t e dt o u s et h i st e c h n o l o g yi nt h ed y n a m i ca n a l y s i so fc o m p l i c a t e d s h e a r e r sr e g u l a t i n gs y s t e m + t h i s p a p e ra d o p t s p r o es o f t w a r et oe s t a b l i s ht h e g e o m e t r i c a lm o d e lo fs y s t e m sm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，a n dt h r o u g h 出ei n t e r f a c eb e t w e e na d a m sa n dm a t l a b w ei m p o r tt h e g e o m e t r i c a lm o d e lo fm e c h a n i c a ls t r u c t u r ei n t ot h ed y n a m i c a n a l y s i ss o f t w a r ea d a m st oe s t a b l i s had i g i t a l i z e dm o d e lo f s h e a r e r sr e g u l a t i n gs y s t e m b yt h es t e pr e s p o n s ea n a l y s i so fs y s t e m ，t h ev i r t u a lp r o t o 鲫e m o d e li sa m e n d e dt oc o n c l u d et h a tt h ef r e e f r e q u e n c yo f h y d r a u l i cs y s t e m i s1 4 h zm o r eo r l e s s ，a n dt h es y s t e m p e r f o r m a n c ei sd i s t i n c t i v e l yi m p r o v e da f t e rt h ea m e n d m e n t t h es i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h es y s t e m i c f r e q u e n c y r e s p o n s eg e tt ot h er e s p o n s eo fs y s t e mt od i f f e r e n tf r e q u e n c i e s i l l 太原理工大学硕士研究生学位论艾 s i n es i g n a la n df u r t h e rp r o v et h a tt h ef r e ef r e q u e n c yo fr e g u l a t i n g s y s t e m i s1 4 h z t h es y s t e md e c r e a s e sr a p i d l yt ot h e m i d f r e q u e n c ya n dh i g h - f r e q u e n c ys i g n a l s f i n a l l y , i m i t a t i n gt h ea c t u a ll o a dd u r i n gt h ec u t t i n gp r o c e s s ， t h r o u g ht h ei n t e r f a c eb e t w e e na d a m sa n dm a t l a b ，w ea p p l y an o r m a ld i s t r i b u t i o ns i g n a lt ot h es y s t e ma n dg e tt h ed y n a m i c a l r e s p o n s eo ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ef o r c eo ne a c hh i n g ep o i n t ， a c c e l e r a t i o nr e s p o n s ea n dt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fh y d r a u l i c s y s t e m ，t h u st ot e s tt h ef r e ef r e q u e n c yo ft h es y s t e m ，a n dp r o v i d e r e f e r e n c ef o rt h ea s c e r t a i no fp a r a m e t e ra n ds e l e c t i o no f c o m p o n e n ti nt h ed e s i g no f h y d r a u l i cs y s t e m i naw o r d ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p er e s e a r c ho fs h e a r e r sc u t t i n g p a r ti st h ea d v a n c e dd e s i g n ，a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nt e c h n i q u e ， a n di st h ei n i t i a t i v ea t t e m p ti nt h ed e s i g no fs h e a r e r i tp r o v i d e s e f f e t u a lm e a n sa n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o df o rd e s i g n i n gt h e e c o n o m i c ，r e l i a b l ea n ds t a b l eh i g h p e r f o r m a n c e ds h e a r e r k e yw o r d ： s h e a r e r v i r t u a lp r o t o t y p e h y d r a u l i cs y s t e m d y n a m i cs i m u l a t i o n a d a m s d y n a m i ca n a l y s i s 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪 论 1 1 课题的提出及意义 采煤机是综采机械亿采煤的主要设备之一。虢着滚筒采煤机的广泛 应用，滚筒采煤机能否安全可靠地连续工作已成为人们日益关注的课 题。对日产万吨的综采工作茄两言，停工一日就等于上百万元盼经济损 失。然而，提高滚筒采煤机可靠性的关键在于克服由于外载荷的波动所 带来的影响，由于采煤机的工作环境复杂恶劣，载荷交证缀丈，一些关 键部件在正常工作中往往出现因过载而损坏的现象。无论是来煤机的机 械传动部棒、液压传动部件、电器元件，还是摇譬、截割滚箭等，部因 采煤机动载荷的加大而出现故障，影响采煤机的工作可靠性。例如采煤 机牵引行走链轮负荷大、载荷不均，其支承轴承很容易出现磨损或滚动 体碎裂等现象。采煤机摇臂部件各传动轴承受力禳大，由于摇臂频繁升 降，润滑状态较差，也极易损坏，发生故障。另外采煤机的液压传动系 统发生故障豹主要原因就是机器承受较大的动载荷，使液压元件磨损、 产生泄露，系统的控制阀动作失灵，引起液压系统的压力、流量发生不 正常的变化，导致系统发生故障。阻上诸多现象和所存在的问题都与采 煤机的整机受力和机器的振动有着直接的关系，关键的问题是对采煤机 的动态特性研究不够，长期以来，国内外许多专家学者都致力于采煤祝 的研究和开发上，从割煤理论蒲手，对滚筒式采煤机的螺旋叶片和截齿 的配置及排列等方面的牺题都进行了大量和细致的研究工作，特别是 美、英等国相继研制出一批高性能、高可靠的“重型”采煤机。在长期 太原理工大学硕士研究生学位论文 的研究中，这些国家积累了大量的理论知识和丰富的经验t 同时还应用 计算机对螺旋滚筒的负荷进行了模拟研究。但对采煤机整机的动态特性 分析还不够，包括同时考虑截割载荷和采煤机各部分受力关系以及调高 过程中惯性力对采煤机的影响。将机械系统和液压系统结合起来分析采 煤机割煤时的工况受力，更无人运用先进的c a d c a e 技术对采煤机进 行三维可视化动态仿真。本论文针对上述问题，利用先进的机械动力学 分析软件a d a m s 建立采煤机调高系统的虚拟样机模型，对滚筒、摇臂 的受力进行研究和分析，同时建立了液压系统的虚拟样机模型，分别对 调高过程中液压缸的受力、滚筒调高过程中各部件的受力进行分析，确 定液压系统的固有频率、工作压力等参数，对采煤机的设计具有一定的 参考意义。 1 2 采煤机设计技术的现状 我国采煤机械传统的设计是根据经验和以往设计实例，设计人员在 纸面上设计所需的产品，产品生产人员再按照纸面设计进行工艺准各， 做出样机，然后进行工况下的性能试验、可靠性试验和寿命试验。如果 出现问题或不满足预定设计要求的情况，就要修改设计。这样一方面 把产品从开始设计到正式投放市场的周期拉得很长，从而痛失良机，二 是增加了开发成本。虽然在设计中也使用绘图软件，但这些软件只是绘 图工具，把手工绘图改为计算机绘图。其实质只是绘图不是辅助设计。 一般均使用普通的c a d 二维软件，很少使用三维软件，更不用说在计 算机上使用c a d c a e 工具，对采煤机进行虚拟建模和运动学、动力学 仿真分析，对采煤机进行辅助设计、参数化设计以及优化设计。在这方 面做得多的煤炭科学研究院上海分院，也仅是对采煤机重要部件进行有 太原理工大学硕士研究生学位论文 限元分析。对采煤机的受力分析主要是理论分析和模拟仿真，达不到结 合三维c a d 实体技术，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。将采煤机系统中的机电液有机的结合在一起，在虚拟 环境下模拟物理系统的运章亍状况。快速分析各静设计方案，进行辅助设 计、参数化设计和优化设计帮助设计人员完成以前需经数次物理样机 上才能完或的实验研究，快这获得系统级的侥化设计方案。 1 3 虚拟样机技术的研究及应用现状 1 3 1 虚拟样机技术研究现状 虚拟样机技术仍处在发展盼段，各个嚣家都开始对这门新技术进行 深入的研究，但系统完整的理论体系还没有形成，目前美国处于研究前 沿。虚拟样机和虚拟样机环境在不同应用领域中存在不同的定义，其定 义发展过程就是虚拟样机技术研究发展的过程。 美国国防部将v p 定义为：采用计算机仿真建模技术建立与物理样 机相戗的数字模型，并对该模型进行评估和鞠j 试，从而获取候选物理模 型设计方寨的特性，虚拟样机环境是将具有不同运杼规律( 如刚体动力学 和流体传动) 的多个模型集成起来，通过仿真测试得到相关该群机方案的 描述，以此指导系统和参数的优化设计，提高样机模型开发的效率比， 缩短产品研制周期。 虚拟样机技术将多种计算机技术、计算机辅助技术结合在一起。目 前研究鬟点是如何利用这些技术，产生物理样机替代可信度离的产品虚 拟样机。主要研究方向是虚拟样机中的集成技术、虚拟样机环境中的可 视化建模技术、虚拟环境中的协同工作流技术等。 屋翁国际上商品纯专用虚拟样机软件逐渐在工程设计实践中得到 太原理工大学硕士研究生学位论文 应用，功能强大的商用软件正有少数专家的研究工具逐滞 面向普通工程 技术人员。虚撒样机技术在国内的研究范围还较小，一般仅集中在多体 动力学系统实验室研究阶段，由于缺乏相应软件，很少用于解决工程实 际闷题。 1 3 2 虚拟样机技术的软件他 国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经基本实现，目前有许多家 公司在这个领域上竞争。比较有影畸的产品包括美国机械动力学公司 ( m e c h a n i c a ld y n a m i c sl n c ) 的a d a m s ，美国c a d s i ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g ns o f t w a r ei n c1 9 9 8 年居，c a d s i 公司与比利对l m si n t e r n a t i o n a l 公司合并，更名为l m s c a d s i ) 公司的a d a d s 以及德国航天局的 s i m p a c k 。其中荧国机械动力学公司的a d a m s 占据了市场的7 0 c 3 2 1 3 3 虚拟样机技术的应用实例 寝揪样机技术可以广泛的应用于，如汽车、工程机械、航空航天建、 造船业、机械电子工业、国防工业、人g l m 程学、生物力学、医学、以 及工程咨询等很多方面。应用很多的是包含虚拟样机技术的虚拟制造， 尤其以设计为中心的虚拟制造是虚拟样机技术使用最广泛之处。以设计 为中心的虚拟制造技术以统一的信息数据库为基础对数字化虚拟样机 进行仿真分析、优化，同时进行产品结构信息、动力学、运动学、热力 学等多方面的分析和可装配性分析，以获取对来来产品的性能预测结果 积可$ i 造性分柝。 波音公司设计的7 7 7 越大型客机是世界上酋家以无纸化方式设计出 的飞机，它的设计成功标志虚拱制造技术鼠理沦转向实用。 太原理工大学硕士研究生学位论文 美国航空航天局( n a s a ) 的喷气推进实验室( j p l ) 成功地实现了火星 探测器“探路者号”在火星上的软着陆。j p l3 2 程师利用虚拟样机技术 仿真研究飞船火星登陆的不同阶段。在实际探测器发射前，预测到由予 割动火餐和火星风的相互作用，探测嚣可以在着陆中翻滚。工程拜针对 这个问题修改了技术方案，保证了火星鼗陆的成功。 美围福特汽车公司、克莱靳勒汽车公司和我国鲍一汽均在新型汽车 的开发中应用到虚 c i 样机技术。 1 4论文的主要研究内容 鉴于虚拟样帆对复杂枫械产品开发的诸多益处，尝试将不同软件环 境下的并行工作集成在采煤机械上，进行采煤机虚拟样机的实现方法和 技术研究，达到采煤机整机系统层面的优化目的，更好的体现广义优化 全系统和金性能的设计思想。 通过对果煤机采煤过程中的受力分析，建立采煤机调篱系统盼虚拟 样机，包括机械部分的调高机梅和调蘸液蕊系统，对采煤机截割部进行 运动学、动力学分析和仿真。 本课题豹差要内容： i ) 采煤机截割部的受力分析与建模； 2 ) 调高机构的虚拟样机建模； 3 ) 液压系统虚拟样机建模； 4 ) 调高系统虚搬样机动态仿真。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章采煤视截副部的受力分耩 出于煤层物理性能的变化，以及因牵；i 系统的弹性变形及非线性摩 擦引起的牵引遮度的变化，采煤机在工作过程中负载的变化十分剧烈。 同时由于采煤桃滚筒翡安装精度不离，存在有误差，在螺旋滚篱转动过 程中，形成的往向力也将引起机器振动。再者。螺旋滚筒上的截齿( 特 别是端盘鹰) 在圆周上非均匀分布。馒滚筒在旋转过程中偏心质量也将 引起机身、滚筒以及整机的振动。采煤机在工作过程中负载的变化十分 剧烈。图2 1 是采煤机电动机负载电流的实测曲线。采煤机的振动对 机器的寿命、工作性能有严重的影响它不仅加速截齿的癌损和破坏， 使截割部受到巨太的冲击载荷、传动系统的载荷剧烈变化，而且增大液 压控制系统发生故瘴的概率，严重影响滚篱、匾转机构、截癌及其它都 件的使用寿命，降低采煤机工作的可靠性和工作效率。所以，对采煤机 动力学硪究非常重要。 建立采煤机调高系统虚拟样机目的是根据采煤机截割部负载得出 系统的响盔，确定截割部的受力情况和割煤对的动载葡，分析调离液压 系统的响应。实践证明，负载的剧烈变化将给电动机和机械传动系统造 成严重的威胁，菸至于；l 起破坏性事故。；入盘撒样机，确定系统的动 载荷，对提高采煤机设计质量和减小采煤故障的作用是显著的。 建立采煤机虚拟样机，使虚拟样机能够更真实的反映实际工况，更 好的确定采煤机设计中韵关键参数，为零部件选型提供依据。分析研究 采煤机的负载特性是十分必要的。 6 太原理王大学顼：# 研究生学位论文。 阁2 1 采煤机实测负裁电流曲践 f i g u r e 2 1c u r r e n tc , d r v eo f s h e a r e r sm o t o r 2 1 采煤机截割部负载特性分析 2 1 i 滚筒载荷豹嚼筐特性分析 滚筒所受的外载荷，乃是其上所有参与截割煤体的截齿负荷的叠 加。钝齿豹平均负荷按下式确定。 1 ) 藏割阻力 艺= 乙+ 广( _ 一t o ) ( 2 1 ) 式中 z 钝齿的平均截割稂力。k n ； 乙锐齿的平均截割阻力，k n ； y k 截齿磨钝7 1 起的推进阻力增量，k n ； ，+ 截韵阻力系数，为截齿磨损断蕊上的摩擦力与推进隰力 的姥值，一般为0 3 8 0 4 4 。截割阻抗丈的煤，应取较小的5 值， 锐齿的平均截割阻j 7 , - i 按下列经验公式估算： 描曩器。峨啄聪如去k n ( 2 - 2 ) 式中：a 煤层非压张区的平均截割阻抗。k n m ： 太原理工大学顼士研究生学位论文 平均切削厚度，m ： b 截齿的截刃厚度，m ； p 截槽侧向崩裂角，度； 芷。工作面暴露系数； 足。考虑截齿截角口的影响系数： k ；截齿前面形状系数： 足。考虑截齿配置型式的系数； 丘，考虑工作机构截割范围内压张系数影响的系数； 口截齿相对于工作机构移动方向的安装角度：度。 2 ) 推进阻力 i ：= k + 鼠足，( 2 3 ) 式中 k 锐齿的推进阻力，k n ： 口d 煤的单向抗压强度，m p a ： s ，截齿磨损端面在截割平面上的投影，m 2 i k ，矿体应力状况的容积系数。 锐刀的推进阻力 k = k p z 。k n 式中 足。锐齿推进阻力与截割阻力的比值。 以上相关系数可参考文献来选取 3 ) 侧向阻力 太原理工大学硕士研究生学位论文 爿；士磊f i ：鑫 丽+ 0 1 5 ) 吾 ( 颁卑式配置) 2 一 或 菇；如石彘+ 争 ( 交错式鼯置)2 一卸 式( 2 5 ) 中的正负号的选取，依据截齿的侧向力x 是否指向煤壁 而定。当截齿的受力x 指向煤壁取正，反之取负。 有了单个截卤的平均负荷，螺旋滚筒的平均载荷就可以叠加恧得。 现以双滚筒采煤机为例，对前后滚筒的负荷分别加以讨论。 事实上，采煤机的螺旋滚筒在割煤过程中，由于煤层的物理机械性 能无规则变化和截齿的不均匀分稚，其载赫的大小翻作用点都是随机变 化的1 ”。 彳等嗲。 l 最圹一劢扔渐霄捌_ 岛_ 最长专叻h 图2 2 采壕机滚筒的受力分析 f i g u r e2 - 2 t h ef o r c ea n a l y s i so f s h e a r e fb m m 菜一霹刻，采艨机螺旋滚筒盼受力分桥如圈2 - - 2 新示。鞫孛z 、 誓、暑葺口置、l 、互分别为前、后滚筒上第i 个截齿麝受抟阻力，两 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 月。、焉、五。和疋。、r 。、足分别表示前、后滚筒所有参加截割的截 齿( 分别为月，和n ：各) 受力沿a 、b 、c 坐标轴( a 轴指向顶板- b 轴指 向牵引方向，c 轴指向煤壁) 的分力之和，即： r 。= ( 一rc o s y , 十z ，s i n r , ) i - i r 6 = ( 一rs i n y ，一五c o s ，) i = l h 1 r 。= z ， r 。 r i ( 一r c o s + z ，s i n y ，) ( 一y | , s i n y 。一互c o s ；6 ) 纠：兰肖 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 根据文献1 ”，对采煤机螺旋滚筒的载荷进行随机模拟，得到滚筒一 转内的载荷谱。从载荷谱可看出，螺旋滚筒的载荷随着滚筒的转动都在 发生变化，因此，采煤机工作时滚筒受三向力作用其振动为空间问题。 2 1 2 滚筒载荷的频率特性 从上节的分析知，对于每一个叶片，滚筒受力有一个由大到小和有 小到大的过程。因此，滚筒载荷的波动频率与叶片头数有关。滚筒每转 动一周，力的变化周期数等于叶片头数，因而可以得出由于这一波动原 因所引起的滚筒载荷的波动频率： _ = 百n n ( h z ) 式中： ( 2 8 ) 太原理工大举顼士研究生学位论文 五： n 一滚筒转速，r m l n ； n 螺旋叶片头数； 同样，可以推算出由于叶片大重叠角所引起的滚筒载荷波动频率 五= 品，等= 器e ( 2 - 9 ) 式中： 口两“摊”齿所采的圆心角，r a d ； 若考虑端盘齿均匀排列所产生的波动分量，则设分量的波动频率为 五： 以* 朵等；堕( 2 - 1 0 ) 6 0 6 0 占 式中： 口端盘上相邻截齿所舶的圆心角， 拈罢憾d z 一般很小在l o h z 以下，可以说蹩滚筒载旖的“低频”分爨；五、 一般为几十h z 到1 0 0 h z ，可以、浼是滚筒载荷的“中频”分量。 文献 3 对m k * l l 型采爆税( 滚筒转速5 8 转分，叶片跌数4 ) 的滚筒载荷波动频率计算，z = 3 8 7 h z ；其实测平均波动频率为 彳= 3 2 h z ，两者非常接近。 煤体是脆性罪均匀性材料，截齿截煤过程中的受力时呈“锯齿”波 太原理工大学硕士研究生学位论文 形变化的。这就是滚筒载荷的“高频”分量的来源。其波动幅度和频率 主要决定于煤的粘脆性，裂隙发达程度和簸齿的切削速度，截齿几何参 数等。该频率一般为几百赫兹。 显然，滚筒载荷的“低频”分量彩晌最大，“中频”和“高频”分 量影响较小。它与低频分量相比，其波动幅值很小，可以忽略其影响。 试验研究表明，采煤祧的牵引遽度对滚筒载荷的波动频率无影响， 仅影响波动幅度和平均值的大小。 滚篱侧向力的波动与截齿沿滚篱圆周方向撵列位置的关系，基本上 与牵引阻力b 相同。但侧向力的计算较繁琐，且该力与采煤机调高油缸 压力无关，敖这里不讨论。 2 1 3 滚筒偏心质量的简化模型 由于滚筒在设计、制造、安装过程中存在误差，再加上叶片和截齿 在其圆周上布置不均匀，使滚筒存在偏心质量，致使在旋转中受不平衡 的离心力作用丽产生振动。这种振动只存在与铅垂面( z 囊) 和水平丽 的y 向。 锻设前滚筒的偏心质量为m 。、蜃滚筒豹偏心质量为r e ，偏心距分 别为e ，、p ：t 角速度为，则前后滚筒分别对应的离心力为： 只= m 4 e l 9 0 2 最= j e 2 2 对于前滚筒其离心力在z 、y 向的投影分别为 = 鹄e 2 c o $ o * ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 太原理工夫学硕士研究生学位论文 r = m ，8 2 2s i n 口 2 2 采煤机割煤耐摇臂振动力学模型 ( 2 - 1 4 ) 采煤机割煤时，前滚筒在铅垂面z 向、水平面y 向和x 向的力学 模型分别如图2 3 a 、2 3 b 、2 3 c 所示。 a ) ( b )( c ) 囤2 3 采煤机割煤时振动的力学模型 f i g u r e2 - 3t h em e c h a n i c a lm o d e lo f t h es h e a r e rv i b r a t i o n 困采煤机工作时螺旋滚篱上的载荷是变化的+ 但这些变化都可看作 存在有一定的周期性 1 ip 为分析问题方便，若忽略外载荷r 。、r 。、r 。中 幅值波动较小的部分，f | r o 、r 。、r 。满足筒谐振动的规律。故用频率 分别为敛、魄和。的简谐振动来模拟外载荷的变化，即： f ，= r 。s i n 。t 兄= r 6s i n 口 r ( 2 1 5 ) 【t = r 。s i nm 。t 则前滚篱在z 向、y 向和x 向的振动方程为： 盟 篮堂甲十 略 太原理工大学硕士研究生学位论文 z + 2 n t 撕2 z = 等矾”争一。r y + 2 n z r + 啪= r e 吖 e ，l o ) is i na ，t + 怠s l n 叫( 2 - - 1 6 ) 膏+ 2 一，膏+ ，2 x = 争s i n m ；， 式中： 月、也分别是前摇臂在铅垂面z 向、水平y 向和轴x 向的衰 减系数。 。= 。仙= ： p 、p ：、p ，分别是前摇臂在铅垂面z 向、水平y 向和轴x 向的固 有频率。 订= ；岫2 = 确2 = 。： c ，、c ：、c 3 分别是前摇臂在铅垂面z 向、水平y 向和轴x 向的阻 尼系数。 k - 、k ：、k 3 分别是前摇臂在铅垂面z 向、水平y 向和轴x 向的刚 度系数。 另外据文献【1 】介绍，从滚筒试验台截割转矩的功率谱与电机功率谱 比较来看，由截齿配置产生的频率中，较高频率部分在经过传动系统传 递给电机时其幅值衰减较大，故其幅值较小，而低频部分与截割转矩是 基本相同的。因此，根据频谱分析的结果可看出，滚筒所受的三向外载 荷的基频与滚筒旋转的频率基本相同，即q = = 0 9 。= 。这样，前 滚筒在z 向、y 向和x 向的振动微分方程可简化为： 太原理工夫学硕士研究生学位论文 f 2 + 2 n l z + p 1 2 z = h ls i n ( o g t + ( 0 1 ) p + 2 聍2 p + p 2 2 y = h 2s in耐(2-17) l + 2 n 3 k + p 3 2 x = 日3 s i n c o t 式中耻j t 可m 4 e 1 0 33 川2 却2 日，：m 4 e l o ) 型+ 曼 m m 日，：生 m l 吼一”培警 2 3 采煤枧滚簿调高枧构的受力分析 调高油缸是采煤机的薄弱环节之一，其性能壹接影响采煤机的工 乍 可靠性、生产能力和生产效率。调高机构中的摇臂将采煤机工作机构的 动载荷传递给浊缸，是油缸产生很强的冲击载荷，这就是采媒机调高油 缸出现损坏的主要原因。 2 3 1 调商桃构的动力学模型 采煤机的调离机构一般采用油缸调高其油缸的安设位置有：设 在枫身下部疟托架内；设在机身上部：设在祝身侧面：设在截割 部减速器箱内；设在截割部的端头。其中最为常见，下面就以这种 方式的调商机构为例进行动力擎分析。 采煤机的调高机构在实际工作中，一般有两种工况：一种是采煤机 l 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 不牵引，滚筒调高：另一种是采煤机牵引滚筒调高。对比两种情况，显 然，后一种工况的油缸载荷较大，故选择后一种情况来分折。 如前所述，采煤机的滚筒在实际工作中所承受的外载荷可简化为三 个方向的交变载荷即： f c = r 。s i n 。r e = r 6s i n e ) , t 【c = r 。s i n 。f 而在分析调高机构的振动时，主要考虑滚筒在调高方向上的振动情况， 所以假设调高机构只受铅垂面内的两向载荷c 和r 的作用。同时滚 筒存在的偏心质量在旋转过程中所产生的不平衡离心力也仍然对调高 机构产生振动影响。调高机构的动力学模型如图2 4 所示。 图2 4 调高机构的动力学模型 f i g u r e2 - 4t h ed y n a m i cm o d e lo f t h er e g u l a t i n gm e c h a n i s m 2 3 2 调高机构振动的数学模型 如图2 - - 5 所示，采煤机调高机构的调高摇臂为刚体定点转动， 调高油缸可等效为有阻尼的液压弹簧一质量振动系统+ 其运动方程写 太原理工夫学硕士研究生学位论文：。 为 力+ 屯? s i n o i + c h - 尘l s i n 0 2 嚣 往- 1 8 ) 式中j 滚篱及摇臂绕0 点的转动馈量，m + 一； 舀摇臂挠。点转动的角加速度， 7 哆二； 一一油缸豹液压弹簧s 崖，n + ； 如油缸的液压粘性阻尼系数，m n - s ； x 油缸的位移，m ； j 油缸的移动速度，m s l 小摇臂的长度，r n ； o ，小摇臂与油缸活塞杆之闻的夹角，度： 对0 点所有外力矩之和。 c 图2 5 调高机构撼动的数学模型 f i g u r e2 - 5 t h em a t h e m a t i cm o d e lo f v i b r a t o r yr e g u l a t i n gm e c h a n i s m 对0 点的矫力矩有：激振力矩恐s i n a o t ，l c o s o 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 咒s i n b t l s i n m ：滚筒偏心质量产生的离心力矩m p 2s i n o t l c o s 母l 、 m e a ) 2c o s o j r l s i n m 。把这些力矩代入运动方程2 - 1 8 中，得 + 兄j o + k x t s i l 曲2 + s i 。) jl s i n c i ) t 等s 嗡i r 。x t 篡l c o $ 附i ) ) + m ( r _ j ? c o v a l s i n o , ( 2 - 1 9 ) 十兄+ 州e 式中 冗。s i n 眈r 滚筒承受的外载荷在铅垂方向的分力，n ； 也s 协f 滚筒承受的， 载荷在水平方向的努力，n ； l 犬摇臂的长度，m ： 中大摇臂相对水平面抟夹角，度： m 滚筒的偏心质量，m ： e 一滚筒的偏心距，m ； 滚筒的角速度，r a d s ； 其中，液压缸的位移x = l o ，移动速度j = 晒，滚筒及摇臂对0 点 的转动惯量l ，= m 。f + 竽= 学，代入上式中 得： 学百+ 心一r ，s i n 中：+ “i ，s i n 由：= 心s i n o t l c o s 0 1 + 咒s i n o j d t l s i n * l ( 2 - 2 0 ) + p 2s i n c o t l c o s o + m e c 0 2c o s ( o r l s i n d ) 式中 ，滚簿的集中质量，埏； m 。播臂的集中质量，蚝； 由前分析可知口。= = 。，经整理褥 太原理工丈学硬士研究生学位论文 式中 孝+ a 1 靠毒+ a l 如疗；a 2s i n ( a t + 甲) 3 z 2s i n 中， 稿2 丽再瓦劳 ( 2 - 2 1 ) 小面斋厄蕊两面鬲磊丽丽万丽 甲= 嘴业堕鬻等坐堕脚e 。s 1 nq ) ， 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章采煤桃截割部虚拟样机酶几何建模 随着科学技术的不断发展，剥用先进的c a d c a e 工具对机械系统 开展研究已成为一种趋势。a d a m s 是美国m s c 公司推出的极负胜名 的机械系统仿真软粹，p r o e 是美国p t c 公司开发鞠大型c a d 软件， 通过两者间的“强强结合”来开发复杂机械系统的虚拟样机是当前国内 多数研究群体盼首选方案”6 3c 2 7 对于特别复杂的机械系统往往有以下两个特征，首先是零部件外形 复杂( 如各种齿轮、凸轮等) ，其次是约束关系复杂( 如要包括各种离 割、碰撞等) 。这就决定了器建立复杂机械系统的虚拟祥机不仅需要专 业的c a d 软件来进行三维实体造型，还需要用专业的动力学仿真软件 来进行动力学仿真。以a d a m s 为饲，其可以方便地给梳辘系统定义各 种复杂约束和进行各种仿真，但其较简单的三维造型工具a ：能满足复杂 零部件的造垄和装配要求。为此m s c 公司为a d a m s 开发了与其他 c a d 软件进行交互的接口如m e c h n i s m p r o 、c a d a d a m s 等。通过 这些接口可以将其他c a d 软件产生的零部件装配转换到a d a m s 下添 加约束并进行仿真研究。 考虑采煤机按机结掏特别复杂，如图3 1 所示，零部件多，对整 机建立虚拟样机并仿真比较复杂、计算量大、仿真时间长且容易出错影 响仿真结果。故将采煤机整机虚拟样挑分为截割部和牵日l 龆藕部分来分 别建立盘撼样机。本文主要就采煤机调高系统建立虚拟样机并对其进行 仿真。为了使问题进一步细化，考虑聚煤机截割部主要由传动系统和调 高系统两部分组成。其虚拟样机又分为机被系统和液压系统两部分。机 太原理工大学硕士研究生学位论文 械部分主要由滚筒、摇臂、传动齿轮、行星减速器、液压缸、机身等构 件组成。以下就调离机构和调高液压系统分别建立虚叛样机摸型。 图3 1 采煤机整机模型 f i g u r e3 - 1t h em o d e lo f s h e a r e r 3 1 调高机构的虚拟样机 调高系统主要由滚筒、摇臂、液压缸以及调离液压控制系统组成。 对蔼高系统的虚拟样枫主要用来分袄调商系统对滚筒载荷( 干扰输入) 和方向控制阀控制输入的响应。针对仿真目的对系统进行简化，将滚筒 考虑为质点，即不考虑滚筒的转动，饺考虑滚筒质量对调高系统的影响， 将滚筒割煤时的力简化直接作用于摇臂端部，由于滚筒偏心对摇臂振动 的影响可以通过施加周期变化的力来代替。这样就可以简化模型，使构 件数减小，同时减去了连接约柬和运动约束，在不影响调高系统性能的 情况下使模型简化。下面就分别对调高机构和液压系统建立虚拟样机模 型。 太原理工大学顼士研究生学位论文 3 1 1 调高机构的三维实体几何建模 通过上述简化，调高梳构主要有滚簿，摇营、渡压缸和枧身四部分 组成。用p r o e n g i n e e r 建立各构件的三维实体模型。 p r o e n g i n e e r 是美圃参数技术公n ( p t c ) 推出的功能强大的参 数化软件包，以成为三维建模软件的领头羊，目前全球有3 0 余万工程 师和设计人员正在使用p r o e n o i n e b r ，p r o e n g i n e e r 软件包括了 在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配件的管 理、功能仿真、制造、产品数据管理等，另外还提供了目前所能达到的 最全面、集成最紧密的产品开发环境。 在p r o e n g i n e e r 通过拉伸、旋转、扫描、混合、及打孔等操作 来实现机构零部传的设 计；将各个零件通过装配 约束进季亍缓装成装配体， 进而成为样机。根据设计 图纸，建立采煤机调高机 构所有构件的凡何模型， 并进行缒装。几何模型包 括滚筒、摇臂壳、油缸和 机身以及滑靴等，保留重 要部位的国角。略去无关 图3 2 调高机构几何模型 紧要的倒角、小孔。通过 f i g u r e3 - 2t h eg e o m e t r i c a lm o d e lo f 铭u l a t i n g 缒配约束将摇臀、油缸和粟璨机身组装起来。如图3 2 所示。 太愿理工大学硬士研究生学位谂文 3 1 。2 调嘉枫构豹约藏添加 在攫拭样机中，帆掏之阁的相对运动是遥避旗加运动副来实现躲， 建模时，可以通过各种约束耀制构件之阍的某种相对运动，并以此将不 同掏俘连接起来组成一个机械系统。a d a m s v i e w 可戳娃理以下四种类 型的约束： 1 ) 理想约束，一般有物理的对应物，例如旋转副( r e v o l u t e ) 对应 于铰链约柬( h i n g e ) 、移动i t j ( t r a n s l a t i o n j o i n t ) 对应予滂靴( s l i d i n gd o v e t a i l ) 2 ) 漾始约京，定义一个相对运动约慕，如：定义一个物体总是平 行于另一个物体运动( p a r a l l e la x i s ) ； 3 ) 运动发生器，驱动物体以一个描述位移、速度或加速度变化的 时间函数来运动； 4 ) 关联约束，定义一对或多个约柬的相对运动关系如耦合 ( c o u p l e r ) 和齿轮剽( g e a r ) ； 5 ) = 维曲线辨柬，定义一个点或曲线沿着另一个益线运动。 如豳3 - - 2 在采煤机滚筒调离枕梅中，假定机身与大地露连。即定 义杌身为地。不考虑滚筒与摇臂的相对转动，即将滚筒和摇臂定义为 个刚体。坯有液压缸和活塞杆总共四个剐体，其中三个为活动雕体。摇 臂与机鸯通过铰链约束连接在一起，使摇璧绕着铰接点旋转，即摇臂奄 机身之问存在一个旋转副( r e v o l u t e ) 。同样，在调高过程中，油缸绕着 与机身的铰接点旋转存在一个旋转副：漶缸和摇劈也逶过销铰接在一起 构成一个旋转副。油缸的活塞轩与活塞腔之间相对滑动存在一个移动副 ( t r a n s l a t i o n a l ) 。这群调高机构通过三个旋转醋、一个移动割连接在一 起，整个机构存在一个自由度。但如果对模型的自由度进行验证，将发 现模型存在三个冗泉鑫由度( 如蓬3 3 所示) 。这怒嚣为在a d a m s 孛 太原理工大学硕士研究生学位论文 的自由度是按如下方法计算的。 图3 3 模型自由度验证 f i g u r e3 - 3 t h ev e r i f i c a t i o no f t h em o d e l sd e g r e eo f f r e e d o m 在a d a m s 中，自由度( d e 酣so f f r e e d o m ) 用来说明构件相对于 另一个构件的运动。一个空间自由的物体有六个自由度( 沿三个轴的移 动和绕三个轴的转动) 。每个自由度对应一个运动方程。当你添加一个 约束时，例如，添加一个旋转副( r e v o l u t ej o i n t ) 在两物体之间，限制 三个移动自由度和两个旋转自由度，它们只能绕着一轴( 旋转副的中心 线) 相互旋转。每个约束限制不同的自由度。在一个机构模型中总的自 由度等于活动构件中没有约束的自由度数之和。在仿真时， a d a m s s o l v e r 通过运动代数方程确定模型的自由度。 a d a m s v i e w 通过给微分和代数方程管理系统添加代数方程来减 去模型自由度在数学上，a d a m s s o l v e r 用相同的代数方程来表示相 同的限制自由度，以下是a d a m s s o l v e r 用来表示所限制自由度的代数 方程： x 。一x ，= 0 太原理工大学硕士研究生学靛论文 嚣一；0 ( 3 2 ) z j z ，；o ( 3 3 ) 乏岩，- - 0 ( 3 4 ) 三rj。o(3-5) 置y j = o 3 6 ) 式中i 、j 分别表示i m a r k e r 糯j m a r k e r ，l m a r k e r 在添加约京的第一个构 辱上，jm a r k e r 在添嬲约囊的第二个桅件上；方程( 3 - 1 ) 袭示tm a r k e r 的世界坐标系x 坐标值与jm a r k e r 的世界坐标系x 坐标值相同，即两个 物体在x 坐标上保持相对静止；同理方程( 3 - 2 ) 、( 3 - 3 ) 表示秘物体在y ， z 坐标方向上保持相对静止。即分别限制沿x 、y 、z 辅的移动自由度。 方程( 3 - 4 ) 表示i m a r k e r 豹z 轴总是与j m a r k e r 的x 轴褶垂直，朗绕共 同的y 轴没有旋转。问理方程( 3