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
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11
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悬臂式掘进机焊接型叉形架的强度校核设计含11张CAD图,悬臂,掘进机,焊接,叉形,强度,校核,设计,11,CAD
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摘 要：在煤炭工业中，掘进和回采是煤矿生产的重要环节，巷道的快速掘进是煤矿保证矿井稳产高产的关键技术措施，采掘技术及其装备水平直接关系到煤矿生产的能力和安全。悬臂式掘进机是煤矿井下巷道施工的主要掘进设备,作为其重要组成部件的叉形架，承载整个截割部并与回转台、升降油缸相连接，受力复杂多变。由于掘进机工作环境恶劣，工作任务艰巨且维修不便，在掘进机作业时，若叉形架失效，则掘进机整机将无法正常工作，这必将严重影响工作效率，对企业造成很大的经济损失。因此，有必要结合现代仿真手段对叉形架进行分析，并针对原有设计的薄弱区进行结构改进，提高掘进机整机的工作稳定性及可靠性。本文主要以多体机械系统动力学和弹性动力学为基础理论，针对掘进机三种典型工况，对叉形架动力学特性进行研究。首先，应用三维造型软件建立掘进机关键零部件实体模型，然后进行了整机虚拟装配和模型简化。然后将实体模型导入ADAMS/View环境下，建立了整机刚体动力学模型，通过对该虚拟样机模型进行运动学及多刚体动力学试分析，验证了采用多刚体动力学对叉形架进行分析的方法不妥。通过导入有限元分析软件ANSYS中生成的叉形架模态中性文件，在ADAMS/View环境下建立了掘进机整机刚柔耦合虚拟样机模型。根据掘进机的实际工作环境，模拟了三种典型工况（左右横摆截割，上下摆动截割，钻进），通过对整机进行刚柔耦合动力学分析，得到了又形架各铰结点载荷，叉形架柔性体应力变形动画及关键点应力时间历程曲线。分析表明，叉形架与升降油缸连接孔附近区域强度相对薄弱。在本文的最后对叉形架结构薄弱区的结构改进进行了尝试，并对改进后的叉形架进行了再分析掘进机刚柔耦合动力学分析的研究方法使得整机在设计阶段就可通过建立虚拟样机模型、模拟实际工况进行仿真研究，得到叉形架动态特性时间历程，对叉形架等部件的产品质量和疲劳寿命较早做出预测。同时，该方法也可为工程机械、建筑机械等领域的动态特性研究提供借鉴。关键词：掘进机，叉形架，载荷，动态特性1. 前言在煤炭工业中，掘进和回采是煤矿生产的重要环节，国家的方针是:采掘并重，掘进先行。巷道的快速掘进是煤矿保证矿井稳产高产的关键技术措施，采掘技术及其装备水平直接关系到煤矿生产的能力和安全。随着综采设备和技术的快速发展，国内已出现了年产百万吨甚至千万吨级的工作面，每年所消耗的回采巷道数量极大增加，因此，巷道掘进已成为煤矿高效集约化生产的关键性技术,继而,高效机械化掘进也就成为矿井实现高效高产的必要条件和巷道掘进技术的发展方向。悬臂式掘进机是一种部分断面巷道掘进机，其截割臂可上下、左右自由摆动，切出任意形状的巷道断面，且切出的表面平整、精确，便于支护。履带式行走机构可以使机器调动灵活，便于转弯、爬坡，对复杂地质条件适应性很强。作为机、电、液多学科领域知识集中且集采、装、运、行多功能于一体的大型先进井下巷道施工机械设备，悬臂式掘进机已被广泛采用，得到市场肯定。2. 国内外相关研究在煤炭工业的发展历程中，首先解决的问题是井下矿物的运输与提升，由于回采作业面的机械化及采煤设备的快速发展，回采作业面的推进速度极大提高。但是巷道的掘进速度却远落后于回采作业面的推进速度，致使采掘失调，严重影响工作效率，各国投入精力加速向到决定方法与设备的研究成为必然。成功研制并应用掘进机的先驱当属匈牙利与苏联。目前，国内对于掘进机的研究主要有以下几个方面：1） 掘进机截割煤岩技术的研究。淮南矿业集团涂林鹏对纵轴式据进机的截割方法路径进行了研究。2） 整机性能分析研究，如掘进机整机的振动与稳定性1等。中国煤炭科工集团太原研究院张建广通过建立振动学和数学模型，模拟实际工况，对纵轴式掘进机的振动特性进行了研究。3） 截割头载荷分析研究。辽宁工程技术大学李晓豁教授通过建立掘进机截割头载荷数学模型，借助Matlab仿真软件编程，对据进机截割头载荷进行了模拟分析。4） 关键零部件的设计。安徽山河矿业装备有限公司吴正！12、上海创力矿山设备有限公司的孟凡勇3对掘进机截割头的设计进行了研究。5） 电控、液压系统的设计。为了让操作人员远离粉尘和现场危险地段，提高据进作业的安全性，电子科技大学王晓东对悬臂式掘进机远程线控系统进行了设计。6） 关键零部件的分析优化。主要有回转台、伸缩臂的结构分析等都有大量文献进行了论述研究，技术相对成熟。中国煤炭科工集团太原研究院设计的EBZ220掘进机采用了叉形架结构，对该新型关键零部件的分析研究暂时处于起步阶段：安徽理工大学的张安宁以EBZ255悬臂式掘进机叉形架为研究对象，借助Cosmos对其进行了3种工况下的静力学有限元分析,其他关于叉形架的学术论文尚未见著于报道。在叉形架的设计过程中，往往采用类比法进行设计。传统经验法对叉形架的强度进行校核，即结合力学知识对叉形架进行简化，再进行分析设计，最后利用试验来验证所分析结果的正确性。传统方法的优点是简单易行，但有较大的盲目性，且设计周期较长，严重影响了叉形架的更新换代速度.综上所述，国内对于叉形架的研究较少，传统的设计方法有其自身的局限。随着计算机技术的不断发展，CAD、CAE技术已广泛应用于现代工程设计当中，如日本五十菱汽车公司将CAE技术推广到车架设计，美国FordMotor公司采用CAE提升其NVH性能，IMIbroahim、D.A.Croolla和T.C.Barton等利用CAE技术对柔性体进行研究,悬臂式掘进机在工作时所受载荷为动载荷，其大小和向随时间变化而变化，借助CAE仅作静力学分析是不全面的，也不利于后期的研究分析。3. 整机刚柔耦合模型的建立3.1叉形架模态中性文件的生成在ADAMS中，建立柔性体的方法主要有以下三种：1）离散梁连接，即将一个构件离散成许多段刚性构件，各刚性构件间通过柔性单元连接。2） 采用ADAMSViewFlex功能，直接在软件ADAMSView中建立柔性体中性文件。3） 引入模态中性文件法，利用其他有限元软件（如ANSYS/ABAOUS）把构件惠散成许多细小的网格，然后进行模态计算，将结果保存为模态中性文件MNF（Modnl NeuuralFile），直接导入到ADAMS环境中建立柔性体。由于据进机叉形架结构复杂，考虑到为使柔性叉形架获得更准确的变形，本文优先采用从ANSYS中引入模态中性文件的方法。3.2叉形架模态中性文件的校验叉形架柔性体在导入ADAMS后，需要对其正确性进行校验，ADAMS提供了两种可行的途径：一种是使用信息选项来查看柔性体的模态、质量等相关信息：另外种是在ADAMSALinear模块中进行查看，我们采用ADAMS/Linear模块对导入的叉形架柔性体进行校验。考虑到掘进机工作环境和叉形架所受激励的频率，在ADAMS/Linear模块和ANSYS中分别提取20阶模态并进行对比，结果如表所示。通过两组数据的比较，可以看出ADAMS/Linear模块中获得的固有模态和ANSYS中得到的固有模态基本吻合，说明模态中性文件生成正确并且在传输过程中没有出错在验证叉形架柔性体数据传输无误后，为了提高仿真效率需对叉形架柔性体模态成分、阻尼率等在ADAMS/View环境下作进一步的设置。1） 修改模态成分。在ADAMS/View中通过设计比例系数的方法，来决定模态的开关，该方法简洁易于操作，对于压缩仿真时间，降低仿真错误率有很大帮助。2） 修改阻尼率531。柔性体模态过高会导致系统内部运算耗时大幅度增加，模拟仿真时间增长。若用户没有对柔性体手动定义阻尼率，ADAMS将会自动提供缺省值。3） 惯量设置。ADAMS提供4种方式进行惯量设置：刚体设置、无耦合设置、部分耦合设置用完全耦合设置。从计算精度以及运算量两个角度综合考虑，本文优先考虑部分耦合。3.3整机刚柔耦合模型的建立利用ANSYS生成叉形架模态中性文件，并进行校验后，便可通过刚柔替换的方法用叉形架模态中性文件将据进机多刚体样机中的叉形架刚性构件替换掉。由于叉形架结构复杂，为使替换工作顺利进行，首先在回转台与截割臂上与叉形架较结点处建立辅助Marker点，然后通过3PointMetbod方法实现刚柔替换。4. 模拟各种工况进行实验通过对左右横摆截割，上下摆动截割及钻进各种典型工况的仿真模拟，得到叉形架各铰结点处载荷随时间变化曲线，关键点的动应力时间历程及整个仿真过程中叉形架的应力，变形动画，从而对叉形架进行局部结构改进。5.结论本文对叉形架的研究现状进行分析，通过建立刚柔耦合模型，对其各个工况进行了实验，从而得到叉型架设计方面的不足。使用的研究方法也有很多，通过实验，对叉形架的结构进行改进，从而提升掘进机的工作效率。参考文献1乔双鹏.EBZ220掘进机叉形架载荷、应力应变分析及结构改进研究J机械优化设计，2013.2赵学社.煤矿高效掘进技术现状与发展趋势J.煤炭科学技术,2007,(04):1-10.3中国煤炭科工集团太原研究院.EBZ220TY型掘进机使用维护说明书M.太原:煤科院，2008.4王翠艳.EBZ-135型悬臂式掘进机回转台的优化设计D.太原理工大学,2010.5刘松横轴式掘进机截割部传动系统动态特性研究D.安徽理工大学,2009.6邢印成,王凤林,郭滨.掘进机的发展J.煤炭技术,2005,(05):5-6.7汪胜陆,孟国营,田劫,赵立新.悬臂式掘进机的发展状况及趋势J.煤矿机械,2007,(06):1-3.8王卿权.浅析悬臂式掘进机的发展概况与趋势J.矿业装备,2012,(10):108-109.9涂林鹏,王转兰,包文礼.纵轴式掘进机截割方法、路线与受力分析J.科技资讯,2011,(15):122.10王佩勋.悬臂式掘进机横向截割时稳定性研究J.煤矿机械,2009,(05):64-66.11张建广纵轴式掘进机振动特性的试验研究J.煤矿机电,2012,(01):24-26.12李晓豁,刘兴刚.纵横轴式掘进机截割头载荷的模拟分析J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),
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