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        掘進(jìn)機(jī)截割減速器振動(dòng)問(wèn)題分析與改進(jìn)

        2021-06-29 08:57:16姚喜林原云飛
        機(jī)械管理開(kāi)發(fā) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:振動(dòng)變形結(jié)構(gòu)

        姚喜林,原云飛

        (晉城金焰機(jī)電有限責(zé)任公司,山西 晉城 048000)

        引言

        截割部分作為掘進(jìn)機(jī)直接破煤機(jī)構(gòu),其工作條件復(fù)雜,出現(xiàn)各類(lèi)故障的頻次較高,現(xiàn)已引起廣泛關(guān)注。相關(guān)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),截割減速器作為截割部分的核心傳動(dòng)部件,其出現(xiàn)故障的概率最高,尤其是第一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)位置經(jīng)常出現(xiàn)齒輪破壞,嚴(yán)重影響掘進(jìn)機(jī)的工作效率,限制煤炭企業(yè)產(chǎn)量的進(jìn)一步提升[2-4]。截割減速器受力多為動(dòng)載荷,如煤炭撞擊力、電機(jī)驅(qū)動(dòng)力等,均會(huì)引起截割減速器的振動(dòng),是截割減速器故障率高的主要原因[5-6]。因此以某型號(hào)掘進(jìn)機(jī)截割減速器為研究對(duì)象,分析截割減速器振動(dòng)明顯的原因,提出降低振動(dòng)的具體措施。

        1 截割部組成及問(wèn)題

        截割部作為掘進(jìn)機(jī)極其重要的部件,其組成包括截割電機(jī)、聯(lián)軸器、截割減速器、懸臂結(jié)構(gòu)、截割頭等,連接關(guān)系如圖1所示。掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)力來(lái)源于截割電機(jī),由截割電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力經(jīng)聯(lián)軸器和截割減速器傳輸至截割頭位置進(jìn)行采煤。減速器位于截割電機(jī)和截割頭中間,是關(guān)鍵的調(diào)速增扭部件,其工作的穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系著掘進(jìn)機(jī)能否采煤作業(yè),必須引起高度重視。

        圖1 截割部組成示意圖

        在截割減速器運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)截割減速器相較于其他結(jié)構(gòu)組件的振動(dòng)問(wèn)題較為明顯。查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料,若截割減速器長(zhǎng)時(shí)間處于振動(dòng)環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)極易導(dǎo)致內(nèi)部齒輪折斷,發(fā)生安全事故,同時(shí),截割減速器出現(xiàn)齒輪斷裂之后,更換極為困難,大多企業(yè)采取直接更換新的減速器進(jìn)行故障處理,給煤炭企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,為了提高掘進(jìn)機(jī)的工作效率和使用壽命,有必要開(kāi)展截割減速器振動(dòng)原因分析與改進(jìn)工作。

        2 截割減速器振動(dòng)原因分析

        截割減速器服役環(huán)境惡劣,受力條件復(fù)雜,運(yùn)行過(guò)程中不僅要承受來(lái)自截割電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩和截割頭反作用沖擊載荷,還要承受減速器內(nèi)部齒輪嚙合產(chǎn)生的交變載荷,是導(dǎo)致減速器振動(dòng)問(wèn)題的主要原因。除了上述受力情況多變導(dǎo)致截割減速器振動(dòng)明顯之外,存在以下情況也會(huì)加劇減速器的振動(dòng):第一是齒輪參數(shù)選擇不合理;第二是齒輪安裝存在安裝誤差,使齒輪磨損劇烈,配合間隙較大時(shí)會(huì)加劇振動(dòng);第三是齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷,動(dòng)特性不佳時(shí)會(huì)加劇減速器的振動(dòng);第四是減振器件損壞或者選擇不當(dāng)。結(jié)合掘進(jìn)機(jī)截割減速器現(xiàn)場(chǎng)工作情況及振動(dòng)問(wèn)題,排除齒輪和箱體問(wèn)題,目前減振器件采用的是振動(dòng)部位表面包覆阻尼層的自由阻尼層結(jié)構(gòu),其在潮濕腐蝕環(huán)境中工作出現(xiàn)了部分脫落,減振效果變差,有必要進(jìn)行阻尼機(jī)構(gòu)的改進(jìn)。

        3 減振方案設(shè)計(jì)

        3.1 減振方案

        機(jī)械設(shè)備振動(dòng)控制方法眾多,采用粘彈性阻尼材料抑制振動(dòng)仍是高效便捷的手段,筆者在不改變當(dāng)前減速器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,擬采用約束阻尼結(jié)構(gòu),以便降低振動(dòng),改善減速器受力情況。截割減速器出現(xiàn)振動(dòng)的部件較多,如行星架、太陽(yáng)輪、行星輪等,因其內(nèi)部齒輪和行星架的結(jié)構(gòu)不大,不改進(jìn)其傳動(dòng)特征很難實(shí)施振動(dòng)抑制措施。因此從出現(xiàn)極端損壞概率較高的殼體著手,在兩級(jí)齒圈部位施加約束阻尼層減振結(jié)構(gòu)以降低減速器振動(dòng)強(qiáng)度。

        3.2 減振效果分析

        采用ANSYS仿真計(jì)算軟件進(jìn)行截割減速器約束阻尼層減振效果分析,主要包括三維建模、材料屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分、約束和載荷施加等環(huán)節(jié)。

        3.2.1 三維建模

        減速器內(nèi)部全為直齒圓柱齒輪,不承受軸向載荷,為了提高有限元仿真分析的效率,選取齒圈軸線方向25 mm長(zhǎng)度進(jìn)行齒輪嚙合建模。運(yùn)用Solid-Works完成了有、無(wú)阻尼殼體的齒輪嚙合模型的建立,如圖2所示,通過(guò)在殼體齒圈位置中部增加厚度4 mm的阻尼減振材料,將內(nèi)齒圈整體從厚度方向分割成兩部分,來(lái)模擬約束阻尼結(jié)構(gòu)。

        圖2 齒圈三維模型

        3.2.2 材料屬性與網(wǎng)格劃分

        將有、無(wú)阻尼的減速器殼體三維模型倒入ANSYS仿真計(jì)算軟件進(jìn)行材料屬性設(shè)置,其中減速器殼體材料為合金鋼,其材料屬性如下:彈性模量為213 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3;減振橡膠材料屬性如下:密度為1 130 kg/m3,泊松比為0.5,常數(shù)C01為1.47,常數(shù)C10為1.82。完成仿真模型材料屬性設(shè)置之后采用自由劃分網(wǎng)格的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分,統(tǒng)計(jì)得出無(wú)阻尼模型單元格總數(shù)為16 320,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為92 460;有阻尼模型單元格總數(shù)為15 236,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為89 687。

        3.2.3 約束與載荷施加

        根據(jù)減速器齒輪運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況,將太陽(yáng)輪和行星輪軸向及徑向位移設(shè)置為零,外齒圈軸向位移設(shè)置為零,模擬齒輪之間的嚙合和相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。煤炭掘進(jìn)時(shí),截割電機(jī)的輸出功率為120 kW,轉(zhuǎn)速為1 470 r/min,計(jì)算得出減速器輸入扭矩為780 N·m,將其施加與中間行星輪內(nèi)孔表面。

        3.3 仿真結(jié)果分析

        3.3.1 靜力學(xué)分析

        啟動(dòng)ANSYS仿真計(jì)算軟件自帶求解器,計(jì)算得出減速器仿真模型的靜態(tài)變形和等效應(yīng)力云圖,如圖3和圖4所示。由圖3可以看出,無(wú)阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大變形為7.979e-05 m,出現(xiàn)在殼體外圈位置,有阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大變形為1.437e-07 m,出現(xiàn)在行星輪與齒圈嚙合位置,二者對(duì)比可得,增加阻尼結(jié)構(gòu)能夠降低減速器的最大變形。由圖4可以看出,無(wú)阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大應(yīng)力為371.34 MPa,出現(xiàn)在行星輪和太陽(yáng)輪嚙合位置,有阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大應(yīng)力為10.06 MPa,出現(xiàn)在行星輪和齒圈嚙合位置,二者對(duì)比可得,增加阻尼結(jié)構(gòu)能夠降低減速器的最大應(yīng)力。綜上所述,阻尼材料的增加不會(huì)降低減速器結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,方案可行有效。

        圖3 靜態(tài)變形云圖

        圖4 靜態(tài)等效應(yīng)力云圖

        3.3.2 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

        仿真計(jì)算得出減速器仿真模型的瞬態(tài)變形和等效應(yīng)力云圖,如下頁(yè)圖5和下頁(yè)圖6所示。由圖5可以看出,無(wú)阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大變形為0.499 7 m,有阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大變形為0.4777 m,相差不大,均出現(xiàn)在減速器外殼位置。由圖6可以看出,無(wú)阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大應(yīng)力為196.37 MPa,有阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大應(yīng)力為112.3 MPa,均出現(xiàn)在行星輪和齒圈嚙合位置,對(duì)比可得橡膠阻尼層的增加,降低了減速器等效應(yīng)力。

        圖6 瞬態(tài)應(yīng)力云圖

        4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

        為了驗(yàn)證截割減速器增加約束阻尼結(jié)構(gòu)之后的振動(dòng)情況,將其應(yīng)用于某型號(hào)掘進(jìn)機(jī)截割減速器中,并跟蹤記錄振動(dòng)情況。應(yīng)用結(jié)果表明,采用橡膠阻尼結(jié)構(gòu)之后減速器工作穩(wěn)定可靠,能夠滿(mǎn)足工作要求。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,改進(jìn)截割減速器阻尼結(jié)構(gòu)之后,最大振動(dòng)幅值降低了近15%,減振效果顯著。據(jù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)人士估計(jì),振動(dòng)幅值的降低,將會(huì)延長(zhǎng)掘進(jìn)機(jī)的使用壽命,降低近15%的維修成本,預(yù)計(jì)為企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近150萬(wàn)元/a,取得了很好的應(yīng)用效果。

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