悬臂式掘进机焊接型叉形架的强度校核说明书.docx
悬臂式掘进机焊接型叉形架的强度校核设计含11张CAD图
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悬臂式掘进机焊接型叉形架的强度校核 Strength check of welded fork frame of boom roadheader摘 要掘进机是煤矿巷道开拓的重要设备。在掘进机工作过程中，安装在叉形架上的截割头连续旋转，在叉形架的摆动过程中，通过截齿实现的煤岩的破碎，进而实现对整个巷道截面的掘进。叉形架是掘进机完成截割工作的关键结构件，安装在机架的回转台上，截割电机、截割减速器以及连接二者的联轴器均安装在叉形架上，液压油管、配水管路、电缆等均从叉形架中穿过，因此叉形架结构复杂。此外，在截割过程中，叉形架在油缸推进作用下承受巨大的弯矩和扭矩，受力状态十分复杂。本文以悬臂式掘进机的焊接型叉形架为研究对象，对采用组焊形式的叉形架进行结构强度计算，分析对比叉形架在横向摆动以及自上而下或自下而上的工作条件时，以及掘进机钻进时承受载荷的特点，校核叉形架的强度。主要内容有：通过三维软件对掘进机焊接型叉形架进行设计。通过掘进机的工作原理，研究叉形架受力情况并提取出各种典型工况。计算各种工况下的受力情况，并通过计算机仿真模拟进行强度校核。通过有限元分析找到叉形架设计的薄弱区并对其进行改进优化，然后进行对比分析。叉形架是悬臂式掘进机截割部的重要零件，本文通过有限元分析对叉形架进行静应力分析，得出所设计叉形架结构的不足之处在盖板处，并通过增加上盖板厚度从30mm为40mm，进行再校核，得出改进方案可行。给掘进机截割部的设计提供了一定的参考价值。关键词：悬臂式掘进机；焊接型叉形架；强度校核；有限元分析IVAbstractRoadheader is an important equipment for coal mine roadway development. In the working process of roadheader， the cutting head installed on the fork frame rotates continuously. In the swing process of the fork frame， the coal and rock are broken through the pick to realize the excavation of the whole roadway section. Fork frame is the key structural part of roadheader to complete the cutting work. It is installed on the rotary table of the frame. The cutting motor， cutting reducer and the coupling connecting them are all installed on the fork frame. The hydraulic oil pipe， water distribution pipeline and cable all pass through the fork frame， so the structure of the fork frame is complex. In addition， in the process of cutting， the fork frame bears huge bending moment and torque under the action of oil cylinder propulsion， and the stress state is very complex.In this paper, the welded wishbone of boom roadheader is taken as the research object, and the structural strength of the wishbone in the form of assembly welding is calculated. When the wishbone swings horizontally and works from top to bottom or from bottom to top, the load characteristics of roadheader during drilling are analyzed and compared, and the strength of the wishbone is checked. The main contents are as follows：The welding fork frame of roadheader is designed by 3D software.Based on the working principle of roadheader, the stress of fork frame is studied and various typical working conditions are extracted.Calculate the force under various working conditions, and check the strength through computer simulation.Through the finite element analysis to find the weak area of the fork frame design and improve it, and then carry on the comparative analysis.Fork frame is an important part of the cutting part of cantilever roadheader. This paper analyzes the static stress of fork frame through finite element analysis, and finds out that the deficiency of the designed fork frame structure lies in the cover plate. By increasing the thickness of the upper cover plate from 30mm to 40mm, and re checking, the improvement scheme is feasible. It provides a certain reference value for the design of cutting part of roadheader.Keywords：Boom roadheader; Welded fork frame; Strength check; Finite element analysis目 录1 绪论11.1选题背景11.2掘进机国内外发展11.2.1掘进机国外发展现状11.2.2掘进机国内发展现状21.3叉形架研究现状21.4本论文的研究主要内容和意义31.4.1本论文研究的主要内容31.4.2本论文研究的意义31.5本章小结42 悬臂式掘进机52.1悬臂式掘进机主要机构及其作用52.2悬臂式掘进机工作特点62.3悬臂式掘进机优势及其分类62.3.1悬臂式掘进机优势72.3.2悬臂式掘进机分类72.4悬臂式掘进机在我国的应用及发展趋势72.4.1悬臂式掘进机在我国的应用72.4.2悬臂式掘进机的发展趋势82.5本章小结93 悬臂式掘进机焊接型叉形架设计103.1 Solidworks功能介绍103.2掘进机截割机构组成及结构113.3 掘进机叉形架设计123.3.1 设计的原始数据及要求123.3.2 确定加工方法133.3.3 选择材料并设计133.4 叉形架三维模型建立143.5本章小结164 掘进机焊接型叉形架应力分析174.1 Solidworks有限元分析法步骤174.2有限元网格尺度的划分174.3 叉形架典型工况提取214.3.1叉形架工作形式214.3.2叉形架典型工况提取224.4 叉形架工作时的受力分析234.4.1 叉形架在上下摆动时的静应力分析244.4.2 叉形架在左右摆动时的静应力分析394.4.3叉形架在钻进时静应力分析464.4.4 分析总结484.5 叉形架结构改进494.5.1 叉形架结构薄弱区的确定494.5.2结构改进及应力分析504.6本章小结515 结论与展望525.1 结论525.2 展望52参考文献54致 谢56VII1 绪论1.1选题背景在当今煤炭行业，煤矿生产有非常重要的两个环节，其中一个是掘进与回采。我们的国家采用了挖掘与回采并重，掘进先行的政策。其中煤矿确保矿井稳产高产的主要关键技术举动之一就是在巷道当中的快速掘进，煤矿企业生产的能力和安全与采掘技术还有掘进机质量息息相关。在此背景下，掘进机的研究就显的尤为重要，尤其是叉形架的研究。本文对叉形架进行分析与校核，并进行结构优化，为叉形架的设计贡献一份力量。图1-1为掘进机样式。图1-1 掘进机1.2掘进机国内外发展1.2.1掘进机国外发展现状在煤炭工业发展中，掘进机的发展分为以下五个阶段。第一个阶段：1940到1960年，各国研究发展30kW左右的悬臂式掘进机，重量还比较轻，一般在13到17吨。第二个阶段：1960到1970十年间，十年是掘进机大力发展的十年，期间产生了大量的中型掘进机，并列掘进机功率进一步提高其中尤为突出的是英国，奥地利和日本三个国家研究的掘进机。第三个阶段：1970到1980年，在这个时期，掘进机研究逐渐走向成熟，更大更重的掘进机出现，功能更加完备，并极大的提高了掘进机的可靠性。这其中做的比较好的是英国，奥地利和德国。第四个阶段：1980年到2000年，出现了能截割中等硬度煤岩的重型机械，一般重量在40到80吨，截割功率到了150到200kW，同时，掘进机的功能更加完善，自动控制功能也趋向成熟。第五个阶段：步入新世纪，各国掘进机技术飞速发展，型号越来越多，功能越来越完备。1.2.2掘进机国内发展现状我国的掘进机技术起源于1965年，虽然起步较晚，发展较慢，技术相对不成熟，但在我国科学家的努力研究之下，根据前苏联的掘进机进行掘进机的制造。在一九七九年之后，先后从日本，英国，前苏联等国家等民族共享各种掘进机机。从1985年开始，国家大力投入相关技术进行掘进机的开发与推广，并引入更加先进的技术进行掘进机的生产。到1999年时，我过已经拥有了一支高科学，高技术，高素质的研究生产团队，团队人员取各方面掘进机的精华，摒弃各种不足，为我国掘进机的发展做出了相当大的贡献。1.3叉形架研究现状在当前阶段，我国对于悬臂式掘进机中叉形架的研究主要有以下几个方面：1.淮南矿业集团的涂林鹏在掘进机截割煤岩技术方面研究了掘进机的截割方法和路径1。2.2020年，上海创立集团股份有限公司的朱阳阳在悬臂式重型掘进机伸缩结构的设计与分析方面。通过分析现有掘进机的伸缩结构，找出了大功率掘进机截割臂的不足之处。除此外，还设计了一种新的方案2。3.2018年，中国煤炭科工集团的苏涛在掘进机平衡截割臂的强度分析方面，通过有限元方法分析截割臂在工作时承受的力和弯矩，然后对截割臂进行了强度校核3。4.2017年国际重工常林矿山科技有限公司的彭钧和刘清伟研究了截割臂的机构设计，分析了掘进机结构布置的优缺点，制定了更优的掘进机设计方案4。其他关于叉形架的研究还有很多，这里就不一一赘述了。1.4本论文的研究主要内容和意义1.4.1本论文研究的主要内容本文主要以EBZ150悬臂式掘进机焊接型叉形架为研究对象，针对掘进机不同的截割工况，对又形架进行有限元分析。本文研究的主要内容如下5：1.对叉形架进行结构设计，然后利用三维造型软件Solidworks绘制草图，建立特征，从而建立叉形架三维实体模型。2.根据叉形架实际工作情况，利用三维造型软件Solidworks中的simulation功能对叉形架进行静力学试分析。3.施加不同载荷，对叉形架进行强度校核。通过静力学分析得到叉形架结构薄弱区，对这些区域进行针对性结构改进，并对改进后的叉形架进行结构再分析，并得出相关结论。1.4.2本论文研究的意义本文通过对叉形架进行结构设计，然后以静强度为设计准则，考虑其不同工况下叉形架受到不同载荷的影响，然后通过Solidworks模拟施加不同载荷的力对叉形架进行强度校核，由此进行对叉形架的静力学分析。通过对叉形架实际工况进行仿真研究，对叉形架进行静应力分析，了解产品质量和疲劳寿命。可帮助企业企业减少和缩短电子产品开发研究设计开发的生命周期，同时降低产品生产成本。同时还可叉形架的结构优化改进提供一部分结论。除此之外，本文还对叉形架设计部分的不足之处进行了改进。并对比了不同设计的叉形架的应力的不同。1.5本章小结本章通过介绍课题背景和叉形架的研究现状，总结了当今社会国内外掘进机的研究成果，提出了论文的研究问题，带出了本论文研究的主要内容以及研究意义所在。61山西能源学院2021届本科毕业设计（论文）2 悬臂式掘进机2.1悬臂式掘进机主要机构及其作用悬臂型掘进机在工作时需要同时具备把煤岩从矿体中分离、装卸运送、并且可以实现自动行走调动以便及时对煤层进行喷雾除灰。悬臂式掘进机主要包括切割机构、安装机构、搬运机械设备、机架和回转平台、行走机构、液压传动系统、电气传动系统、冷却灭尘传动系统以及机器的运行控制和安全保护等九个大部分。共其整个总体框架结构图如下图2-1所示。图2- 1悬臂式掘进机1.切割机构装运机构3.运输机构4.机架及回转台5.行走机构6.液压系统7.电气系统8.喷雾冷却系统9.操作台掘进机各系统及其作用：1.切割机构。由电动机带动减速器从而驱动主轴带动截割头转动。这是掘进机主要工作部分。2.装运机构（包括输送机构）。装运机构有两个部分，一个部分是装载传动机构，另一个部分是输送中间机构。这两个部分的传动方式基本相同，既可以单独的进行驱动，也可以时传统的集中联动。除了这两个方式之外，交流电机，液压电机和液压马达也可驱动其工作。3.机架与回转台。机架是掘进机的重要组成部分，通常承受各方面的载荷，受力比较复杂。回转台在回转油缸的作用下带动截割臂水平摆动。4.行走机构。行走机构一般为履带形式，由行走架，履带链，支重轮，油缸等组成。行走机构的主要作用是移动掘进机。5.液压系统。液压系统可直接控制或遥控，一般用开式多路阀。在之前，国外使用最多的是齿轮泵。最近这些年，各个国家开始使用柱塞泵，不在局限于齿轮泵。6.电控系统。电控系统包括三个部分，有动力部分，检测部分和控制部分。作用是为机器通电并提供动力6。7.喷雾冷却系统。通过外部供水给系统进行降温。8.操作台。作用是使工作人员对掘进机进行操作。2.2悬臂式掘进机工作特点1.掘进机并不适合所有的路段，只能切割部分路段，在掘进机切割过程中，截割头只能水平或上下移动来完成截割工作，一般来说，各种形状的断面都可用悬臂式掘进机进行掘进。2.掘进机的工作效率对煤矿企业的工作影响特别大，通常情况较好时，掘进机工作效率能达到60%，但如果其他辅助设备如支护设备不能及时跟进时，掘进机的工作效率就会大大降低。2.3悬臂式掘进机优势及其分类2.3.1悬臂式掘进机优势1.悬臂式掘进机可以保障巷道范围内的岩土稳定。因为掘进机在巷道内挖掘时，对于围岩在大范围内不受到爆破震动的影响和破坏，这就更加有利于对巷道内部的支护设施进行管理。2.悬臂式掘进机掘进的速度较快、效果更好。平均速度可以相当于采用钻爆方法配套安装岩料机的速度提高1.5到2倍，劳动效率可以提高2到3倍。快速挖掘后能及时发现和查明所需煤田的情况，并且能按期做好准备以便接替施工面。3.减少了掘进地表的粉尘及有害空气和化学物质的污染，改善了作业环境。4.可减少作业人员，提高安全性。2.3.2悬臂式掘进机分类1.按照车身的重量划分：主要有特别轻型、较重的、中型以及重型四种。2.按照各种工作机械切割煤岩时的形式不同可以分为：纵轴式掘进机和横轴式掘进机。3.按照岩石的硬度分为：煤巷掘进机，半煤岩掘进机，全岩掘进机。（切割硬度逐渐提高）4.按切割臂数量：单臂悬臂式掘进机，双臂悬臂式掘进机。2.4悬臂式掘进机在我国的应用及发展趋势2.4.1悬臂式掘进机在我国的应用我国目前大型工矿煤巷大功悬臂式动力掘进机的相关技术开发研制和其工艺应用最早期的是在1960年，以30-50kW的小型大功率悬臂式掘进机技术为主。目前，我国已经初步基本形成了多台年产1000余台大型掘进机的生产加工和设计制造生产能力，研制并设计生产和推出20多种不同型号的多台掘进机，初步已经建立并发展形成了多个系列化的先进产品，基本已经可以完全能够满足国内先进市场的使用要求。新的世纪，我国掘进机技术一路迅猛向前，现已接近世界先进水平。2.4.2悬臂式掘进机的发展趋势1.大功率化，重量变大化。随着现代采煤工业机械化水平的提升，掘进机需要切割的岩石硬度越来越高，单向耐冲击能力远远超过 170MPa ，所以，需要开发和研制出一种高功率、大质量的重型硬岩式掘进机。现在，国外许多重型掘进机的截割能力已经达到200到300kW ，最高甚至可达 500kW 。但对我国来说，掘进机处于起步发展时期截割功率目前己经高达200kW ，越来越高的截割功率尽管能够提供给掘进机截割头巨大的阻力，但会致使掘进机器的震荡和振动进一步严重加剧对其生产率、掘进机器寿命及其日常维护保养都将造成不利的影响，之后的的结果就是机器的体积越来越小，以此来增加稳定性。2.实现挖、钻、锚施工一体化。研制了一套集掘、钻、锚三种掘进设备于自身一体的快速采掘专用锚杆式综合掘进机组以在能够实现迅速高效掘进的功能同时又可以使掘进机组人员能够不用打眼地直接安装钻的锚杆，支护锚的顶板、侧帮，实现了快速掘进、支护之间的平行式综合作业，解决了目前掘进机组的资源综合利用率较低的各种问题。因此，掘、钻、锚等等一体化巷道施工技术是企业实现小型建筑巷道迅速施工掘进，满足高产、优质建筑工作场地面积和开拓市场发展的重要施工技术手段。3.喷雾式空气降尘器的运动随机性。目前，掘进机大部分都已装设有内外降尘喷雾器排气装置，然而对于机内呼吸性空气粉尘含量减少后对污染物的扩散影响和内外降尘喷雾效果不佳，喷嘴被严重堵塞。因此，对于我们现有的改进机型而言设置了一种机载除雾减尘器的改进设备，强化外部除尘喷雾器的正常使用,增强除尘效果将来就可以有效促使掘进机在正常时在该过程空气中的有机粉尘颗粒含量和有机气体颗粒浓度极大地减少。4.液压传动系统逐步更加完善和可靠。5.促进工业的流程智能化和工业自动化。配置了数控激光材料引入式自动导向系统、计算机纵横断面自动控制操作系统及自动遥控控制系统，大大降低了对于机械操作者的反应提升了整个生产线的效率。6.附件化。应保留必须的截、装、运、行主要部分的组成作用，将降灰、辅助支护等设备以附件的形式存在。这样，就可以按照自己的需求进行选定和装配不同的附加部件，给产品的设计、生产、使用都会带来极大的方便。7.运输机构可伸缩，提高机器的机动性与对环境的适应能力。2.5本章小结本章主要介绍了悬臂式掘进机，阐述了悬臂式掘进机的主要机构，组成及作用，工作特点，优势和分类以及悬臂式掘进机在我国的应用及发展趋势，更加了解掘进机的组成，为论文的展开做铺垫。山西能源学院2021届本科毕业设计（论文）3 悬臂式掘进机焊接型叉形架设计3.1 Solidworks功能介绍Solidworks 软件是采用完整的参数化三维实体建模设计软件，它以大型机器 cad 软件为设计基础，基于 windows 系统环境中所需要实现的全参数化三维实体建模造型软件。 Solidworks 产品功能强大，可用它制作三维模型，绘制装配工程图，对零件进行静应力分析。一般情况下，模型的设计与工程图的生成紧密相连。其主要功能如下：1.草图绘制：Solidworks可进行二维图的绘制，并可进行智能尺寸标注，标注完成后，可自动生成相应标注尺寸。2.特型立体造型：这是Solidworks独特的一种造型方法，因其功能极大地提高了对于艺术美学以及艺术形象的整体表现运用能力与工作效率，所以应用较广。比如：仅仅说它是一种平直或者是由线条连接形成的简单形状，Solidworks可以将其转化成一种类似曲面的艺术模型。3.复杂的曲面模型：全面而又十分富于其自身特色的复杂曲面模型工具，丰富多彩的模型选择，甚至它们可以直接用来完成一些像像小小动物、运动鞋那样复杂的立体模型，只是一个简单的用来填补复杂曲面的工具作用，令许多劳心耗力和费时的对复杂曲面工具进行模型修补都无法变得这么轻松。4.所用组构下料焊件的焊接功能：仅仅通过一个选定的焊接路径就可以快速地焊接完成各种不同型材的焊件，自动生成一份型材下料焊件列表，同时会自动统计和列出所用组构材料的各种类型和使用长度等。5.材料的纹理：快速地获得物体的重量、轻度和重心等信息，甚至不需要进行任何渲染，只看表面就感觉看到实物一样。6.工程图功能：可对三维模型或装配体导出二维图，可自动填写标题栏，可控地自动投影尺寸，还能根据不同的配置，给出零件不同状态的工程图，生成所需图纸。 7.simulation应力分析功能。用Solidworks的simulation可进行静应力分析，这是软件中一个最简单的计算，通过给模型施加合适的载荷来计算零件的应力和应变。作用力和反作用力还有安全系数的分布。在应力超过材料的屈服强度时，材料将失效。本论文就通过simulation对掘进机焊接型叉形架进行应力分析，从而找出设计的薄弱之处并进行强度校核。3.2掘进机截割机构组成及结构组成：截割机构由切割头、伸缩部分、切割减速机和切割电机组成。截割机构及其组成如图3-2-1，3-2-2所示。截割机构是掘进机截割煤岩的装置，它的结构形式，工作时的截割能力还有运转情况，都会直接影响到掘进机的工作能力，稳定性及工作效率。这是衡量掘进机性能的重要指标。截割机构的工作方式为：电动机带动减速器从而驱动主轴带动截割头转动动。截割机构的主要作用是用来切断煤岩，除此之外，它还可以帮助支持支撑棚子时，用托梁支撑横梁。在截割部分的叉型架处于水平时，操作人员也可以站在上面进行相关工作。同时，截割结构还可协助装货，在特殊情况下让操作人员自救。除以上以外，具有收缩功能的掘进机在较大坡度的巷道中后退时，可以用截割机构进行辅助。图3-2-1 掘进机截割机构1-切割头 2-悬臂段 3-二级行星减速器4- 切割电机 5-叉形架图3-2-2 截割机构组成结构3.3 掘进机叉形架设计3.3.1 设计的原始数据及要求（1）设计对象：采用板材组焊形式的掘进机叉形架。（2）工作环境：煤矿井下有瓦斯、煤尘的潮湿环境中。（3）工作条件：截割功率150kW，整机重量55t，截割对象为煤炭或岩石。在悬臂式掘进机中，叉形架是其重要的组成部分，承载了整个截割部并与回转平台通过一条销轴铰链互相连接，同时还通过连接了升降油缸和截割发电机，从而实现了截割部的升降和回转运动，以此来实现掘进机的截割。在掘进机正常工作时，如果叉形架在工作的时候崩溃，就会导致掘进机无法正常工作，这会大大降低煤矿中的出煤率，对煤矿，对企业造成的经济损失不可估量。所以，需要针对叉形架进行设计和分析，设计得出最合适的结构并对其进行一次强度测量考核，从而提高掘进机的工作稳定性和可靠性。3.3.2 确定加工方法一般来说，如果使用整体铸造叉型架，这会加长加工周期，难度变的更大。而且会耽误某些重要工程。因此，在设计叉架时，应该采用焊接结构，这样可以解决加工周期长、加工难度大的问题，可以降低切割机构的重量，保证机器的稳定性和可靠性。甚至有时候，焊接结构可以替代铸造结构。同时，焊接件还有以下优点：1. 连接性能良好。焊接可以很好地根据要求将板、型材或铸件、锻件组合在一起，对于制造大型零件具有重要意义。2.焊接件结构重量是比较轻的，这样可以节约材料，避免浪费。3.施工简单，生产效率比较高。4.焊缝结实，紧密性好，不容易发生渗漏现象。3.3.3 选择材料并设计选择焊接型叉形架的材料为16Mn。16Mn是一种合金结构钢。含碳量为0.1%-0.25%。16Mn除碳元素外还包含硅、钒、铌和钛等其他元素，所以低合金高强度结构钢是16Mn的另一个称呼。16Mn的屈服强度是350MPa，密度是7.85g/立方厘米。16Mn所含元素中硫和磷的含量是比较高的，两者在钢材中属于有害元素，低温环境下容易使钢管脆化，影响工作性能。但优点是综合性能佳，低温性能极好，冷冲压性能，焊接性能和可切削性能也好。综上，16Mn现在大多应用于矿山，运输，化工等各种机械当中。选择合适的零部件，如前法兰，后法兰，左右臂内板，外板等，根据叉形架的实际工作情况采用组焊的形式将相关零部件焊接在一起，制作成一个焊接型叉形架。前法兰盘的设计：在掘进机叉形架中，法兰盘向前连接着截割臂，向后连接着截割电机，如果法兰盘失效崩溃，则整个截割臂将无法正常工作。由此可见，法兰盘在叉形架中起着至关重要的作用。在设计法兰盘时，取盘面厚度为60mm，并在盘面刨除一直径为455mm的圆，同时，在盘面打出24个M242.0的螺纹孔，用于连接截割臂。另外注意，为保证连接件与被连接件更好的接触，一般需将装配接触面设计为沉孔或者凸台的形式。在此次设计中，将装配接触面设计为沉孔，从而保证零件装配接触面的稳定与可靠。后法兰盘的设计跟前法兰盘同理，需留出截割电机的位置，盘厚为60mm。并在内沉孔中留出16个M22的螺纹孔。底板的设计：在叉形架中，底板与顶板还有前法兰，后法兰，共同焊接组成放置截割电机的封闭腔体，同时，底板还需挖孔用以通过导油管，电缆等。底板厚度为30mm。左右臂的设计：根据二维图纸，画出合适的草图，通过拉伸切除等特征建立出左右臂的大致框架，然后，在左右臂框架内，通过中隔板和底板将左右腔分为一个个小腔体，同时还应该注意留出相应的孔位，便于导油管的通过。左右臂外板厚20mm，内板厚30mm，两板距离303mm。耳座的设计：在叉形架中，有伸缩缸耳座，升降耳座，还有连接回转台的耳座，需根据每种耳座的实际尺寸，进行设计选材，然后焊接到相应的位置。孔的设计：在叉形架设计中，应在板材上留出各种大小孔，以便于油管，水管，电缆的穿过。焊接加工过程注意事项：注意有害气体及电弧光的辐射，还有飞溅金属灼伤，做好各项防护工作。3.4 叉形架三维模型建立打开Solidworks，根据设计图纸，用软件绘制草图，并通过拉伸，旋转，切除等方法生成特征，进行掘进机叉形架模型的建立，所建模型如图3-4-1所示。图3-4-1 叉形架三维模型图3-4-2 叉形架模型（正视）图3-4-3 叉形架模型（侧视）图3-4-4 叉形架模型（俯视）3.5本章小结本章主要介绍掘进机焊接型叉型架设计。首先介绍了三维绘图软件Solidworks的主要功能，悬臂式掘进机的截割机构组成及结构，对叉型架进行设计并建立其三维模型，为下一步进行叉形架有限元分析做好准备。山西能源学院2021届本科毕业设计（论文）4 掘进机焊接型叉形架应力分析4.1 Solidworks有限元分析法步骤1.三维模型的创建。通过计算机Solidworks 画草图，通过拉伸切除等特征建立三维模型，然后简化模型，留下模型的主体部分，去除不重要的孔，螺纹孔，倒角等，为后面的分析做好准备。2.选择材料。属性模型建完后，在材料库选择材料属性，因为是计算机模拟，不会考虑到表面的缺陷等条件，所以对结果会有一定的影响，增加了结果的不确定性。3.选择夹具。根据不同的零件，选择合适的夹具，如本设计采用了固定铰链，固定几何体和滚柱滑杆等。4.定义载荷。通过叉形架的的实际工作情况，计算出其所受的力，然后在simulation中对零件的合适部位施加计算出的载荷，可直接对某些部位进项加载，也可用远程载荷将算出的力施加到零件上。5.连接顾问。需要将制作的三维模型连接为一个整体，模拟真实零件进行应力分析。6.生成网格。在进行分析前，需要生成合适大小的网格，以此使计算结果更加精确。通常来讲，网格尺度越小，计算结果越精确，但由于计算机处理能力有限，越小的网格往往需要更久的时间才能计算出结果。7.运行。一切准备完成后，点击运行，可对零件进行静应力分析，得出其应力大小形变，位移等基本参数。4.2有限元网格尺度的划分叉形架模型建立完成后，需用Solidworks中simulation功能进行静应力分析。simulation可对三维模型进行简单的静应力分析，通过施加不同载荷来找出零件结构的薄弱之处。在此之前，应该确定合适的网格尺度，网格尺度越小，结果越精确。在确定网格尺度之前，还要对模型进行简化，比如去除模型中的螺纹孔，倒角，油管孔等，这些对应力分析的影响可忽略不计。在对模型进行网格化时，这这些螺纹孔和油管孔周围会造成网格化困难或网格密度很大的问题，为了避免这些情况的出现，在对模型进行网格化之前，首先要对模型进行简化。网格化的步骤如下：（1）建立新算例。（2）选择并应用合适的材料，因Solidworks材料库中无16Mn，所以选用材料库中与其屈服强度接近的相似的1020钢替代进行（16Mn的屈服强度为343MPa，1020钢屈服强度为350MPa）。材料属性参数如下表4-1所示 ：表4-1 1020钢属性参数属性数值单位弹性模量205000牛顿/m2中泊松比0.29不适用中抗剪模量80000牛顿/m2质量密度7870Kg/m3张力强度420牛顿/m2压缩强度牛顿/m2屈服强度350牛顿/m2热膨胀系数1.17e-05/K热导率51.9W/（m.k）比热486J/（kg.k）材料阻尼比率不适用（3）选择合适的夹具固定叉形架耳座，外板。如图4-2-1，4-2-2，4-2-3所示：图4-2-1 固定耳座图4-2-2 固定耳座图4-2-3 固定外板（4）建立新的基准参考面。（5）对叉形架施加一定的载荷。（6）计算不同网格尺度下叉形架的应力变形，因计算机计算能力有限，所以网格密度从65开始，隔五个计算一次，计算结果如图4-2-4，4-2-5 所示：图4-2-4 应力变化图4-2-5位移变化由此确定最合适的网格尺度为45mm。如图4-2-6所示：图4-2-6 网格参数为45mm时叉形架截图4.3 叉形架典型工况提取4.3.1叉形架工作形式叉架工作条件的提取应对掘进机的切割方式有一定的了解。 再切割时，切割头以一定深度（即切割度）切入工作面，全部准备工作完毕后，升降缸带动叉架上下移动，转盘带动叉架左右摆动，电机带动切割头工作，实现了掘进机对煤的切割和对岩石的切割，在此重要的是要注意，在切割过程中，切割部分应从下至上进行，为了保证装载和整机的稳定性，并注意以左切和右切为主，所以阻力比较小。掘进机的截割程序如图4-3-1所示：图4-3-1 截割程序图4.3.2叉形架典型工况提取从掘进机的截割方式可以看出，掘进时有以下工况：截割头上下摆动截割，左右摆动截割，以及向前钻进。本文将具体研究掘进机的叉形架在这三种工况下所受不同载荷时的静应力分析。查找相关资料可得，EBZ150掘进机工作时截割机构向上摆动角度45度，向下30度，左右摆动角度都为35度。把叉形架上下摆动角度定为，左右摆动角度定位，由此可知-3045，-3535，如图4-3-2所示：图4-3-2 上下左右摆动角度示意图叉形架的各种工作形式由各油缸相互配合完成，根据此，列出其不同工作状态下的典型工况：工况一：叉形架水平时，静态时升降油缸支撑时的状态。工况二：叉形架左右不摆动，向上转动10时的工作状态。工况三：叉形架左右不摆动，向上转动20时的工作状态。工况四：叉形架左右不摆动，向上转动25时的工作状态。工况五：叉形架左右不摆动，向下转动10时的工作状态。工况六：叉形架左右不摆动，向下转动20时的工作状态。工况七：叉形架左右不摆动，向下转动25时的工作状态。工况八：叉形架水平时，向左转动10时的工作状态。工况九：叉形架水平时，向左转动20时的工作状态。工况十：叉形架水平时，向左转动30时的工作状态。工况十一：叉形架水平时，向左转动35时的工作状态。4.4 叉形架工作时的受力分析在叉形架工作时，连接回转耳架的升降油缸会给叉形架一个力，以此来控制叉形架的升降运动，并同时控制着截割头的升降运动。同时，回转耳架的回转油缸通过一边伸出，一边缩回的形式来控制叉形架的左右移动。因此在分析叉形架的受力时，应该先根据相关数据计算出油缸的力，然后按比例换算出截割头受到的力，继而将这个力作为远程载荷施加到叉形架上，通过计算机模拟计算，检验叉形架设计的合理性。除此之外，因为截割头运动时是在不停转动，相应还要把截割头转动时产生的扭矩施加到叉形架的法兰面上，检验叉形架强度是否符合要求。查找EBZ150掘进机基本参数如下表4-2：表4-2 EBZ150掘进机基本参数名称基本参数名称基本参数截割电机功率P150kW升降油缸活塞直径180mm悬臂总长L4660mm活塞杆直径110mm掘进机总重55t油缸进油压力P123MPa最大仰角45出油压力P26MPa最大俯角30回转油缸活塞直径200mm最大回转角35活塞杆直径100mm机械效率0.7图4-4-1 单杠式活塞液压油缸伸出时推力：F推=4P1P2D2+4P2d2 液压油缸收回时拉力：F拉=4P1P2D24P1d2将升降油缸活塞直径D=180mm，活塞杆直径d=110mm，进油压力P1=23MPa，出油压力P2=6MPa，机械效率=0.7，代入公式可得：F推=42361802+4611020.7=342731NF拉=4236180242311020.7=149814N4.4.1 叉形架在上下摆动时的静应力分析工况一：叉形架水平，静态时升降油缸支撑时的状态。此时叉形架受力如图4-4-2所示：图4-4-2 叉形架静态时受力在静态时，根据掘进机数据，计算得出OB=1785mm，AB=700mm，OA=1650mm，在在三角形AOB中，AOB=arccosOA2+OB2AB22OAOB =arccos16502+178527002216501785=23.09ABO=arccosAB2+OB2OA22ABOB=arccos7002+178521650227001785=67.60在三角形AOB中，OA为升降油缸，由之前的计算可知油缸的推力为342731N，此时，将油缸的推力分解为垂直于截割臂与沿截割臂两个方向，其中，垂直于截割臂方向的力F垂=F推sin23.220=342731sin23.220=135126N，此时，通过远程载荷加载到前法兰面的力F加=135126N在Solidworks中，通过远程载荷将F加施加到前法兰面，如图4-4-3所示，然后计算分析叉形架所受力。图4-4-3 施加远程载荷经计算机计算得出叉形架应力分析结果如图4-4-4所示：图4-4-4水平时叉形架应力分布从上图可以看出，叉形架水平时，所受的最大应力为235MPa。最大应力详情如图4-4-5所示：图4-4-5水平时最大应力点工况二：叉形架左右不摆动，向上转动10时的工作状态。这时升降油缸液压杆推动叉形架上升，叉形架受力如图4-4-6所示： 图4-4-6 向上10时受力在此工况下，升降油缸推动截割臂向上转动10，此时，ABO=77.60，在三角形AOB中，由余弦定理得：OA= OB2+AB22OBABcosABO 代入数据得OA= 17852+700221785700cos77.6 =1771mm此时，AOB=arccosOA2+OB2AB22OAOB =arccos17712+178527002217711785=22.71这时候，将油缸的推力分解为垂直于截割臂与沿截割臂两个方向，其中，垂直于截割臂方向的力F垂=F推sin22.71=342731sin22.71=132317N此时，通过远程载荷加载到前法兰面的力F加=132317N在Solidworks中，通过远程载荷将F3施加到前法兰面，经计算机模拟仿真计算得出结果如图4-4-7所示：图4-4-7 上升10时应力分布从上图可以看出，叉形架上升10时，所受的最大应力为230MPa。最大应力详情如图4-4-8所示：图4-4-8 上升10时最大应力点工况三：叉形架左右不摆动，向上转动20时的工作状态。此时叉形架受力如图4-4-9所示：图4-4-9 上升20时受力在此工况下，升降油缸推动截割臂向上转动20，此时，ABO=87.60，在三角形AOB中，由余弦定理得：OA= OB2+AB22OBABcosABO 代入数据得OA= 17852+700221785700cos87.6 =1889mm此时，AOB=arccosOA2+OB2AB22OAOB =arccos18892+178527002218891785=21.73这时候，将油缸的推力分解为垂直于截割臂与沿截割臂两个方向，其中，垂直于截割臂方向的力F垂 =F推sin21.73=342731sin21.73=126890N此时，通过远程载荷加载到前法兰面的力F加=126980N在Solidworks中，通过远程载荷将F3施加到前法兰面，经计算机模拟仿真计算得出结果如图4-4-10所示：4-4-10 上升20时应力分布从上图可以看出，叉形架上升20时，所受的最大应力为221MPa。最大应力详情如图4-4-11所示：4-4-121上升20时最大应力点工况四：叉形架左右不摆动，向上转动25时的工作状态。此时叉形架受力如图4-4-12所示：图4-4-12上升25时受力在此工况下，升降油缸推动截割臂向上转动25，此时，ABO=92.60，在三角形AOB中，由余弦定理得：OA= OB2+AB22OBABcosABO 代入数据得OA=17852+700221785700cos92.5 =1945mm此时，AOB=arccosOA2+OB2AB22OAOB =arccos19452+178527002219451785=21.07这时候，将油缸的推力分解为垂直于截割臂与沿截割臂两个方向，其中，垂直于截割臂方向的力F垂 =F推sin21.73=342731sin21.07=123214N此时，通过远程载荷加载到前法兰面的力F加=123214N在Solidworks中，通过远程载荷将F3施加到前法兰面，经计算机模拟仿真计算得出结果如图4-4-13所示：图4-4-13 上升25时应力分布从上图可以看出，叉形架上升25时，所受的最大应力为215MPa。最大应力详情如图4-4-14所示：4-4-14 上升25时最大应力点工况五：叉形架左右不摆动，向下转动10时的工作状态。此时叉形架受力如图4-4-16所示：图4-4-15 向下10时受力在此工况下，升降油缸推动截割臂向下转动10，此时，ABO=57.60，在三角形AOB中，由余弦定理得：OA= OB2+AB22OBABcosABO 代入数据得OA=17852+700221785700cos57.6 =1528mm此时，AOB=arccosOA2+OB2AB22OAOB =arccos15282+178527002215281785=22.75这时候，将油缸的推力分解为垂直于截割臂与沿截割臂两个方向，其中，垂直于截割臂方向的力F垂=F推sin22.75=342731sin22.75=132537N此时，通过远程载荷加载到前法兰面的力F加=132537N在Solidworks中，通过远程载荷将F3施加到前法兰面，经计算机模拟仿真计算得出结果如图4-4-16所示：图4-4-16 向下10时应力分布从上图可以看出，截割头向下转动10截割煤岩时，叉形架所受的最大应力为231MPa。最大应力详情如图4-4-17所示：图4-4-17 向下10时最大应力点工况六：叉形架左右不摆动，向下转动20时的工作状态。此时叉形架受力如图4-4-18所示：图4-4-18 向下20时受力在此工况下，升降油缸推动截割臂向下转动20，此时，ABO=47.60，在三角形AOB中，由余弦定理得：OA= OB2+AB22OBABcosABO 代入数据得OA=17852+700221785700cos47.6 =1411mm此时，AOB=arccosOA2+OB2AB22OAOB =arccos14112+178527002214111785=21.58这时候，将油缸的推力分解为垂直于截割臂与沿截割臂两个方向，其中，垂直于截割臂方向的力FOA=F推sin21.58=342731sin21.58=126056N此时，通过远程载荷加载到前法兰面的力F加=126056N在Solidworks中，通过远程载荷将F3施加到前法兰面，经计算机模拟仿真计算得出结果如图4-4-19所示：图4-4-19 向下20时应力分布从上图可以看出，截割头向下转动20截割煤岩时，叉形架所受的最大应力为219MPa。最大应力详情如图4-4-20所示：图4-4-20 向下20时最大应力点工况七：叉形架左右不摆动，向下转动25时的工作状态。此时叉形架受力如图4-4-21所示：图4-4-21 向下25时受力在此工况下，升降油缸推动截割臂向下转动25，此时，ABO=42.60，在三角形AOB中，由余弦定理得：OA= OB2+AB22OBABcosABO代入数据得OA=17852+700221785700cos42.6 =1355mm此时，AOB=arccosOA2+OB2AB22OAOB =arccos13552+178527002213551785=20.46这时候，将油缸的推力分解为垂直于截割臂与沿截割臂两个方向，其中，垂直于截割臂方向的力FOA=F推sin21.58=342731sin20.46=119802N此时，通过远程载荷加载到前法兰面的力F加=119802N在Solidworks中，通过远程载荷将F3施加到前法兰面，经计算机模拟仿真计算得出结果如图4-4-22所示：图4-4-22 向下25时应力分布从上图可以看出，截割头向下转动25截割煤岩时，叉形架所受的最大应力为208MPa。最大应力详情如图4-4-23所示：图4-4-23 向下25时最大应力点4.4.2 叉形架在左右摆动时的静应力分析在横摆工况时，叉形架受力情况如图4-4-24所示：回转耳架处的两个回转油缸会给回转台两个力，一边施加推力，一边给予拉力，从而控制掘进机的横摆运动。以在分析过程中要先求出液压缸所产生的力，然后将其按比例换算到截割头上，之后将这个力作为远程载荷作用到叉形架的法兰面上，检验叉形架强度是否符合要求。图4-4-24 横摆时受力给定回转油缸数据，油缸进油压力P1=23MPa，出油压力P2=6MPa，回转油缸活塞直径为200mm，活塞杆直径为100mm，机械效率=0.7。液压油缸工作方式如图4-4-25所示： 图 4-4-25回转油缸回转油缸伸出时推力：F推=4P1P2D2+4P2d2回转油缸收回时拉力：F拉=4P1P2D24P1d2将回转油缸各数据代入公式得：F推=42362002+4610020.7=406836NF拉=4236200242310020.7=247399N当截割臂处于中间位置时：OM=ON=600mm ，PQ=500mm ，MP=NQ=1400mm ，0P=OF=1350mm ，OH=5260,Mn与PQ之间的水平距离为1200mm。将所述参数代入公式可得OMParccosOMP=OM2+MP2OP22OMMPOPM=arccosOPM=OP2+MP2MO22MOOP代入数据可得：OMP=72.77 OPM=25.1同理可得ONQ=72.77 OQN=25.1截割头回转转矩M=F推OMsinOMP+F拉ONsinONQ=F1OH对应所受径向力F1=F推OMsinOMP+F拉ONsinONQOH代入数据得，F1=70842N工况八：叉形架水平时，向左转动10时的工作状态。在此工况下，叉形架受力如图4-4-26所示：图4-4-26 向左转10时受力在叉形架向左转10之后，OMP变为62.77，ONQ变为82.77此时F1=F推OMsinOMP+F拉ONsinONQOH 代入数据可得F1=68807N将F1作为远程载荷施加到法兰面上，经计算机模拟仿真计算得出叉形架受力如图4-4-27所示：图4-4-27 向左转10时应力分布由图可知，截割臂向左摆动10时，叉形架所受最大应力为114MPa，最大应力详情如图4-4-28所示：图4-4-28 向左转10时最大应力点工况九：叉形架水平时，向左转动20时的工作状态。在此工况下，叉形架受力如图4-4-29所示：图4-4-29 向左20时受力在叉形架向左转20之后，OMP变为52.77，ONQ变为92.77此时F1=F推OMsinOMP+F拉ONsinONQOH代入数据可得F1=64681N将F1作为远程载荷施加到法兰面上，经计算机模拟仿真计算得出叉形架受力如图4-4-30所示：图4-4-30 向左20时应力分布由图可知，截割臂向左摆动20时，叉形架所受最大应力为107MPa，最大应力详情如图4-4-31所示：图4-4-31 向左20时最大应力点工况十：叉形架水平时，向左转动30时的工作状态。在此工况下，叉形架受力如图4-4-32所示：图4-4-32 左转30时受力在叉形架向左转30之后，OMP变为42.77，ONQ变为102.77此时F1=F推OMsinOMP+F拉ONsinONQOH 代入数据可得F1=58590N将F1作为远程载荷施加到法兰面上，经计算机模拟仿真计算得出叉形架受力如图4-4-33所示：图4-4-33 左转30时应力分布由图可知，截割臂向左摆动30时，叉形架所受最大应力为96.9MPa，最大应力详情如图4-4-34所示：图4-4-34 左转30时最大应力点 工况十一：叉形架水平时，向左转动35时的工作状态。此工况下受力与前几个工况基本相同。在叉形架向左转20之后，OMP变为37.77，ONQ变为107.77此时F1=F推OMsinOMP+F拉ONsinONQOH代入数据可得F1=54863N将F1作为远程载荷施加到法兰面上，经计算机模拟仿真计算得出叉形架受力如图4-4-35所示：图4-4-35 左转35时应力分布由图可知，截割臂向左摆动35时，叉形架所受最大应力为90.8MPa，最大应力详情如图4-4-36所示：图4-4-36 左转35时最大应力点4.4.3叉形架在钻进时静应力分析当截割头水平钻进时，截割头的截割扭矩和向前钻进的作用力反过来作用在截割臂上。同时还有振动马达的冲击力提供的反作用力，但因为有减震器，这个力可以忽略。所以，向前钻进这种工况受力简单，设截割头旋转扭矩为T，在钻进时，岩石硬度越大，则T越大。按照掘进机电动机截割功率求出截割头扭矩。F=9550Nn其中 N掘进机截割电机功率（KW） n掘进机截割头转速(r/min)查找相关资料可得，EBZ150掘进机截割部参数如下表4-3：表4-3截割部参数截割头形状球锥台型截割轴形式纵轴式截割头尺寸（mm）直径1030截齿数量（把）40截割头伸缩量（mm）550截齿参数（mm）直径38截割头转速（r/min）60喷雾内、外喷雾方式代入相关数据得：T=9550Nn=955015060=23875Nm通过Solidworks将截割扭矩加载到前法兰盘，同时还有掘进机重量的反作用力，通过远程载荷加载到前法兰盘。此时应力分布如图4-4-37所示：图4-4-37 钻进时应力分布由图得出，水平钻进时所受阻力较小，此时最大应力也相应变小了。4.4.4 分析总结在前面的计算中，通过提取叉形架典型工况，分析了不同载荷下叉形架的受力以及最大应力。在此将其总结为三种情况：竖直方向，叉形架从水平向上转到25，从水平向下转到25；水平方向，向左转动四个角度。向上转动时，得出叉形架最大屈服强度变化结果如图4-4-38所示：图4-4-38向上转时最大屈服强度变化由图可得，叉形架在上升过程中，所受最大应力随角度的增加而不断减小，且并未超过材料的屈服强度。向下转动时，得出叉形架最大屈服强度变化结果如图4-4-39所示：图4-4-39向下转时最大应力变化同理，由图可得，叉形架在向下转动过程中，所受最大屈服强度随角度的增加而不断减小，同样未超过材料的屈服强度。再向左转动的工况中，同样，随着叉形架的向左摆动，叉形架所受应力也在逐渐变小，且都在材料屈服强度以内。4.5 叉形架结构改进4.5.1 叉形架结构薄弱区的确定在前面的计算中，通过对叉形架上下摆动，左右摆动不同角度这几种工况的仿真模拟，得出叉形架仿真过程中应力，位移的变化。根据计算可知，叉形架可满足日常截割时的条件，但其仍有些不足之处，在施加载荷计算后发现叉形架最大应力集中前法兰面和截割机所在腔体的盖板处，在实际工作中，这是一个安全隐患，可能导致掘进机无法正常工作或产生故障，因此需要对其进行局部结构改进优化，从而降低应力大小。4.5.2结构改进及应力分析对于截割机腔体上盖板的结构改进：由分析可知，上盖板应力集中分布在圆孔处，此处不好进行结构改进，因此，从另一方面考虑，增加其厚度，使零件更加稳固与可靠。前法兰面的设计可不做变动，其他部位也不必进行调整。在改进方面，增加盖板厚度从30mm为40mm后，用Solidworks进行应力分析，将应力最大时的两个载荷135126N和132317N施加到叉形架上，得出改进后的应力如图4-5-1，4-5-2所示：4-5-1 F=135126N时图4-5-2 F=132317N时由图可知，在施加载荷为135126N时，最大应力由235MPa减小为216MPa，载荷为132317N时，最大应力由230MPa减小为212MPa，从中可得，此改进方法可大大减小叉形架所受应力，提高安全性，所以改进方案可行。综上所述，此次叉形架设计结构合理，可满足悬臂式掘进机的正常使用。4.6本章小结本章首先介绍了Solidworks有限元分析法的步骤，然后用Solidworks的simulation插件对模型进行网格划分。之后通过叉形架的实际工作情况，提取叉形架的典型工况，然后对提取出的工况进行静应力分析。通过分析找出叉形架的薄弱区并对其进行改进和在分析，确定叉形架的最终参数。5 结论与展望5.1 结论目前，掘进机使用范围的不断扩大，切削能力不断提高，世界各国都在各方面进行着尝试和研究。随着地下工程的发展，现在越来越多的掘进机需要具备较高的技术和性能。本文在总结和借鉴了前人研究成果的基础上，以有限元分析法作为基本方法建立了掘进机叉架的有限元模型，利用有限元分析Solidworks 对其进行了静应力分析。论文已完成的研究内容和所得结论如下：1.对EBZ150型内伸缩式悬臂式掘进机的工作原理、工作特点、典型工况下的受力分析和工作过程进行了研究。2.利用三维造型软件Solidworks通过绘制草图及各种特征建立叉形架三维实体模型。进行了三维模型的简化。3.在不同截割条件下校核叉形架的强度，分析叉形架设计合理性。利用Solidworks中的simulation功能对叉形架进行有限元分析，得到了叉形架设计上的不足之处，为以后叉形架的选材设计和使用提供了参考。4.对叉形架的结构设计的不足之处进行改进，通过增加上盖板厚度从30mm增加为40mm，得出叉形架在两个最大载荷状态下，叉形架的最大应力分别从235MPa减小为216MPa，从230MPa减小为212MPa，且都在材料的屈服强度之内。通过计算机进行有限元分析仿真模拟的对比，改进后的设计明显更符合实际工作要求。因此取盖板厚度为40mm时的设计方案。5.2 展望由于实际条件的限制，论文难免不尽如人意，请各位专老师给予批评和指正。因为叉形架动态载荷实验条件比较高，所以本文只对叉形架进行静应力分析，如需了解叉形架的动态特性，需要在实际工况下对叉形架进行受力分析研究，由于本人水平有限，还需进行深入学习才可进行研究。参考文献1乔双鹏.
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