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        鉆式采煤機(jī)傳動(dòng)箱體的結(jié)構(gòu)有限元分析

        2013-10-19 10:14:34
        河南科技 2013年10期
        關(guān)鍵詞:采煤機(jī)有限元模型

        陸 寅

        (天地科技股份有限公司 上海分公司,上海 200030)

        0 引言

        我國是以煤炭作為主要能源的國家,極薄煤層與不規(guī)則煤層在全國各大礦區(qū)均有儲(chǔ)量,受開采條件限制,該煤層未能得到有效開采。鉆式采煤機(jī)為極薄煤層、邊角煤、不規(guī)則煤層及保安煤柱等開采提供了一種機(jī)動(dòng)靈活、安全、可靠的開采方法,提高了資源回收率,延長(zhǎng)礦井開采年限,保證老礦區(qū)的持續(xù)發(fā)展。但鉆式采煤機(jī)的設(shè)計(jì)水平與中厚及厚煤層采煤機(jī)的技術(shù)水平還有很大差距[1-2]。鉆式采煤機(jī)在井下的工作條件惡劣,加之薄煤層地質(zhì)條件對(duì)鉆式采煤機(jī)的機(jī)身高度有限制作用,以往依靠加大設(shè)計(jì)安全系數(shù)來提高采煤機(jī)的可靠性在薄煤層采煤機(jī)設(shè)計(jì)中已經(jīng)不再適用。由于鉆式采煤機(jī)傳動(dòng)箱體長(zhǎng)時(shí)間受到非均勻的振動(dòng)載荷,其在應(yīng)用過程中經(jīng)常出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。因此,利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)鉆式采煤機(jī)傳動(dòng)箱體進(jìn)行設(shè)計(jì)校核顯得尤為重要。本文利用有限元法對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核,并對(duì)箱體的應(yīng)力、位移狀態(tài)進(jìn)行分析,以期為鉆式采煤機(jī)傳動(dòng)箱體的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。

        1 ABAQUS軟件簡(jiǎn)介

        ABAQUS軟件是由法國達(dá)索公司基于有限元理論開發(fā)的一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)值分析包。該軟件不僅可以分析簡(jiǎn)單的線性問題,還可以對(duì)材料非線性、幾何非線性等復(fù)雜的問題進(jìn)行模擬仿真。ABAQUS軟件的單元庫提供了各種各樣的單元,如一維桿單元,二維平面單元以及三維多面體單元,以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格劃分。軟件還提供了從簡(jiǎn)單的非線性材料模型,復(fù)雜至適用于巖土分析的各項(xiàng)異性材料本構(gòu)模型[3-4]。近年來,ABAQUS軟件日趨完善,提供了諸如歐-拉耦合方法、光滑粒子動(dòng)力學(xué)法等模擬大變形問題。

        2 有限元分析前處理

        2.1 傳動(dòng)箱體參數(shù)化建模

        利用參數(shù)化建模軟件Pro/E建立了鉆式采煤機(jī)傳動(dòng)箱體的三維模型,如圖1所示。然后在Pro/E工作環(huán)境中將傳動(dòng)箱體三維模型轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的可交換數(shù)據(jù),如iges、sat等,進(jìn)而導(dǎo)入到ABAQUS工作環(huán)境中進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]。

        圖1 傳動(dòng)箱體幾何模型

        鑒于傳動(dòng)箱體是完全對(duì)稱結(jié)構(gòu),為減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算量,本文僅對(duì)箱體的一半模型進(jìn)行分析。ABAQUS軟件提供多種網(wǎng)格劃分技術(shù)包括:結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、掃掠網(wǎng)格、自由網(wǎng)格,為了減少計(jì)算機(jī)的運(yùn)算時(shí)間,本文同時(shí)采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)和掃掠網(wǎng)格劃分技術(shù),最終劃分出的網(wǎng)格單元均為6面體實(shí)體單元,傳動(dòng)箱體的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

        圖2 網(wǎng)格劃分模型

        2.2 材料模型

        鉆式采煤機(jī)傳動(dòng)箱體一般為焊接件,采用的材料為Q235鋼,其彈性模量為210GPa,密度為7800kg/m3,泊松比為0.3,屈服極限為235MPa。為了能夠準(zhǔn)確分析傳動(dòng)箱體的應(yīng)力狀況,使用理想的彈塑性材料本構(gòu)模型來表征Q235材料的實(shí)際力學(xué)性能,其本構(gòu)模型如圖3所示。

        2.3 載荷與邊界條件

        鉆式采煤機(jī)截割煤巖是一個(gè)具有高度非線性且間斷沖擊的動(dòng)力學(xué)行為,其截割機(jī)構(gòu),即鉆頭的受力比較復(fù)雜,進(jìn)而導(dǎo)致與其相連接的傳動(dòng)箱體載荷也無法精確計(jì)算。以某一型號(hào)鉆式采煤機(jī)為例,根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)理論對(duì)傳動(dòng)箱體軸承座載荷計(jì)算(計(jì)算方法可參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),本文不再贅述),結(jié)果如表1所示,圖4為箱體載荷位置示意圖,其與圖1對(duì)應(yīng)。軸承承受的力均勻分布在軸承座的半圓上,半圓位置由軸承所受到的力決定。傳動(dòng)箱體的邊界條件為:在面1和面2施加完全約束,在面3施加對(duì)稱約束。

        表1 傳動(dòng)箱體的載荷

        3 分析結(jié)果

        有限元模型的后處理一般包括:觀察分析單元應(yīng)力、位移以及時(shí)間歷程曲線等。鉆式采煤機(jī)傳動(dòng)箱體的應(yīng)力分布云圖如圖5所示,從圖中可見傳動(dòng)箱體的最大等效應(yīng)力為27.9MPa,出現(xiàn)在C1所施加的載荷處,主要是該處的等效均布載荷較其它位置大引起的。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果和材料的屈服強(qiáng)度,可以得出鉆式采煤機(jī)傳動(dòng)箱體的設(shè)計(jì)安全系數(shù)為8.4。根據(jù)礦山機(jī)械的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),一般重型礦山機(jī)械的設(shè)計(jì)安全系數(shù)要不小于6,故本文設(shè)計(jì)的傳動(dòng)箱體結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求,但安全系數(shù)偏大造成材料浪費(fèi),所以在改進(jìn)設(shè)計(jì)中應(yīng)稍微降低設(shè)計(jì)安全系數(shù)以節(jié)約材料。

        圖5 傳動(dòng)箱體應(yīng)力云圖

        鉆式采煤機(jī)傳動(dòng)箱體的位移云圖如圖6所示,從圖中可見傳動(dòng)箱體的最大位移為0.078mm,最大值位于D1、D2以及傳動(dòng)箱體的中部,其滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求。但由于鉆式采煤機(jī)傳動(dòng)箱體內(nèi)安裝的齒輪需要較高的嚙合精度,理想情況下傳動(dòng)箱體變形量應(yīng)極小。所以,在箱體改進(jìn)設(shè)計(jì)中應(yīng)該在箱體中部適當(dāng)?shù)脑黾訑?shù)個(gè)筋板,以提高傳動(dòng)箱體中部的整體剛度,進(jìn)而提高箱體內(nèi)齒輪傳動(dòng)的精度,降低鉆式采煤機(jī)傳動(dòng)箱損壞的概率。由以上分析可知,鉆式采煤機(jī)傳動(dòng)箱體的強(qiáng)度和變形都符合機(jī)械設(shè)計(jì)要求,但安全系數(shù)稍大,在今后改進(jìn)設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)減小傳動(dòng)箱體設(shè)計(jì)安全系數(shù)以降低鋼材的使用量。傳動(dòng)箱體微小的變形可能導(dǎo)致箱體內(nèi)齒輪嚙合精度不夠,進(jìn)而使整個(gè)傳動(dòng)箱體傳動(dòng)系統(tǒng)失效,故在改進(jìn)設(shè)計(jì)中應(yīng)提高箱體的整體剛度以降低箱體變形量,進(jìn)而提高齒輪傳動(dòng)精度和使用壽命。

        圖6 傳動(dòng)箱體位移云圖

        4 結(jié)論

        (1)在理想彈塑性模型基礎(chǔ)上,利用有限元法對(duì)鉆式采煤機(jī)傳動(dòng)箱體進(jìn)行有強(qiáng)度和變形分析,得到了傳動(dòng)箱體不同位置的應(yīng)力和變形大小,可以直觀的查看傳動(dòng)箱體的應(yīng)力狀態(tài),對(duì)傳動(dòng)箱體的設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)作用。

        (2)根據(jù)有限元強(qiáng)度校核結(jié)果,鉆式采煤機(jī)傳動(dòng)箱體的設(shè)計(jì)安全系數(shù)稍微偏大,在進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)?shù)慕档桶踩禂?shù)以節(jié)約鋼材。在改進(jìn)設(shè)計(jì)中應(yīng)在箱體中部增設(shè)筋板以提高箱體的整體剛度,進(jìn)而提高齒輪嚙合精度和降低傳動(dòng)箱損壞的概率。

        [1]張欣,張樞.薄煤層采煤機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)[J].煤礦機(jī)械,2002,6:7-8.

        [2]付林,杜長(zhǎng)龍,劉送永.鉆式采煤機(jī)新型工作機(jī)構(gòu)的研究[J].煤礦機(jī)械,2010,31(2):111-113.

        [3]李嘉鵬.薄煤層采煤機(jī)截割部行星架有限元分析,2011,4.

        [4]趙騰倫.ABAQUS6.6在機(jī)械工程中的應(yīng)用[M].中國水利水電出版社,2007.5.

        [5]單泉,陳硯,汪殿龍.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 中文版參數(shù)化設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.

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