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        采煤機(jī)直線(xiàn)割煤時(shí)中部槽啞鈴銷(xiāo)動(dòng)力學(xué)分析

        2022-04-27 06:18:34張苗苗王義亮楊兆建
        機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2022年3期
        關(guān)鍵詞:采煤機(jī)分析模型

        張苗苗,王義亮,楊兆建

        (1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,山西 太原 030024;2.煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030024)

        1 引言

        刮板輸送機(jī)是煤礦機(jī)械中關(guān)鍵的設(shè)備之一,而中部槽作為刮板輸送機(jī)的機(jī)身,是刮板輸送機(jī)的主要部件,同時(shí)也是最容易損壞的部件之一[1];中部槽的連接依靠啞鈴銷(xiāo),若啞鈴銷(xiāo)損壞,則刮板輸送機(jī)無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。所以,為了提高刮板輸送機(jī)的壽命,對(duì)中部槽和啞鈴銷(xiāo)進(jìn)行受力分析,以確定兩者容易損壞的位置。

        目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于中部槽-啞鈴銷(xiāo)的連接體系的研究比較單一:例如廖昕、張建潤(rùn)研究了采煤機(jī)三種極限工況下中部槽與啞鈴銷(xiāo)強(qiáng)度非線(xiàn)性分析;張東升、于海洋研究了在刮板輸送機(jī)推溜工況下中部槽組與啞鈴銷(xiāo)下的動(dòng)力學(xué)仿真,得出兩者最大接觸應(yīng)力發(fā)生部位并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證;郝勇等通過(guò)對(duì)實(shí)際工況中部槽進(jìn)行分析,建立了推溜、拉架兩種工況下的力學(xué)模型[3-5]。針對(duì)以上的研究,不難發(fā)現(xiàn),他們研究中部槽-啞鈴銷(xiāo)連接體系的側(cè)重點(diǎn)主要集中于典型極限工況下的非線(xiàn)性分析。但在實(shí)際的采煤、運(yùn)煤過(guò)程中,中部槽作為采煤機(jī)主要的承載部件,其本身的重量及前后滾筒割煤時(shí)遇到的阻力通過(guò)力的傳遞對(duì)中部槽-啞鈴銷(xiāo)連接體系有著很大的影響。在不影響計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上適當(dāng)簡(jiǎn)化模型[6-7]。以中部槽、啞鈴銷(xiāo)為對(duì)象,研究在采煤機(jī)直線(xiàn)行走時(shí)兩者的受力情況,并對(duì)薄弱環(huán)節(jié)加以分析,為中部槽、啞鈴銷(xiāo)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù),以達(dá)到延長(zhǎng)其使用壽命的目的。

        2 受力來(lái)源分析

        2.1 采煤機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型建立

        刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,在進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)分析時(shí),只保留與采煤機(jī)相接觸的部件,即中部槽鏟煤板與銷(xiāo)軌,并在三維建模軟件UG中建立相應(yīng)模型,采煤機(jī)與簡(jiǎn)化的刮板輸送機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型,如圖1所示。

        圖1 采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)模型圖Fig.1 Model Diagram of Shearer and Scraper Conveyor

        2.2 約束及接觸的添加

        對(duì)采煤機(jī)、銷(xiāo)軌和鏟煤板添加必要的約束,以滿(mǎn)足采煤機(jī)的正常行走,計(jì)算接觸力的各參數(shù)需要在ADAMS軟件中設(shè)定,接觸剛度系數(shù)根據(jù)赫茲接觸理論計(jì)算得到[8]。接觸參數(shù)的選擇會(huì)直接影響到仿真效果,其中接觸剛度K及最大阻尼C可以通過(guò)以下公式進(jìn)行估算,接觸剛度:

        其中:

        式中:R1、R2—兩物體的曲率半徑;E1、E2—兩構(gòu)件的彈性模量;u1、u2—兩構(gòu)件的泊松比;

        最大阻尼C:

        式中:Y—材料的屈服強(qiáng)度;ρ—材料的密度;v—齒面嚙合碰撞速度;e—碰撞恢復(fù)系數(shù);δ—接觸面的法向變形量;a—非線(xiàn)性阻尼力冪指數(shù)。

        2.3 結(jié)果分析

        采煤機(jī)前后滾筒截煤時(shí),前滾筒逆時(shí)針截煤,根據(jù)反作用力,則受到向上的截割阻力,同理,后滾筒受到向下的截割阻力,由此可知,采煤機(jī)后半部分作用在中部槽上的力較大。進(jìn)行整機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真,得到受力曲線(xiàn)圖,后平滑靴Z向受力曲線(xiàn)圖(X向與Y向受力較小已忽略)如圖2所示;因?yàn)閷?dǎo)向滑靴與行走輪皆與銷(xiāo)軌接觸,所以將兩者的力求和作用在銷(xiāo)軌上。導(dǎo)向滑靴、行走輪與3節(jié)銷(xiāo)軌的接觸力,將以上兩種力作為中部槽所受外載荷,如圖3所示。

        圖2 平滑靴Z向力Fig2 Z-Direction Force of Smooth Boots

        圖3 導(dǎo)向滑靴、行走輪與銷(xiāo)軌接觸力Fig3 Contact Force between Guide Slipper Walking Wheel and Pin-rail

        3 動(dòng)力學(xué)分析

        3.1 接觸模型

        在采煤機(jī)實(shí)際行走過(guò)程中,要走過(guò)多節(jié)中部槽,為使研究的問(wèn)題更貼近實(shí)際情況,取3節(jié)中部槽、兩進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。平滑靴、銷(xiāo)軌、銷(xiāo)軌座以簡(jiǎn)化模型作用在中部槽上。為了更準(zhǔn)確地模擬采煤機(jī)行走時(shí)對(duì)中部槽和啞鈴銷(xiāo)的影響,假設(shè)煤巖地面是平整的,即在模型中用底板模擬。由于中部槽模型復(fù)雜,故以中間中部槽和前后啞鈴銷(xiāo)為研究對(duì)象,兩側(cè)中部槽模型簡(jiǎn)化,以方后續(xù)便計(jì)算,如圖4所示。

        圖4 啞鈴銷(xiāo)、中部槽裝配模型圖Fig.4 Assembly Model Drawing of Dumbbell Pin and Middle Groove

        3.2 有限元模型生成

        為模型設(shè)置單元類(lèi)型、賦予材料屬性,劃分網(wǎng)格等[9]。建立有限元模型,如圖5所示。其中,所有模型均賦予SOLID164單元,將中部槽、啞鈴銷(xiāo)、底板設(shè)置為彈塑性體,平滑靴、銷(xiāo)軌、銷(xiāo)軌座設(shè)置為剛體[10-11]。在采煤機(jī)直線(xiàn)行走作業(yè)時(shí),中部收稿槽受到的力主要來(lái)自采煤機(jī)、底板支持力等。啞鈴銷(xiāo)受到中部槽施加的彎矩,但它屬于內(nèi)部力矩[12]。在動(dòng)力學(xué)分析中,三節(jié)銷(xiāo)軌分別受Y向力與Z向力,平滑靴受Z向力,三節(jié)銷(xiāo)軌所受的力按時(shí)間順序分別作用在對(duì)應(yīng)銷(xiāo)軌面以模擬采煤機(jī)行走時(shí)施加在中部槽上的力,賦予平滑靴一個(gè)采煤正常行走時(shí)的恒定速度0.28m∕s。

        圖5 有限元模型Fig.5 Finite Element Model

        3.3 計(jì)算結(jié)果分析

        3.3.1 中部槽受力分析

        通過(guò)整理計(jì)算數(shù)據(jù),得到不同時(shí)刻中部槽、啞鈴銷(xiāo)接觸應(yīng)力云圖、及應(yīng)力、位移曲線(xiàn)。為了更清楚的研究采煤機(jī)對(duì)中部槽、啞鈴銷(xiāo)的作用效果,選取三個(gè)不同時(shí)刻的結(jié)果進(jìn)行分析,即采煤機(jī)分別走過(guò)第一、第二、的三節(jié)銷(xiāo)軌,平滑靴位于中部槽鏟煤板三個(gè)不同位置的時(shí)刻進(jìn)行結(jié)果分析,如圖6所示。

        圖6 中部槽等效應(yīng)力云圖Fig.6 Equivalent Stress Nephogram of Middle Groove

        2.7s時(shí)中部槽應(yīng)力云圖,如圖6(a)所示。此時(shí),平滑靴位于中間中部槽左側(cè)鏟煤板,行走輪及導(dǎo)向滑靴行走在第一節(jié)銷(xiāo)軌,依次類(lèi)推,4.9s和7.2s時(shí)的應(yīng)力云圖,分別是時(shí)間為這兩個(gè)時(shí)刻的平滑靴位置分別為中部槽鏟煤板中間和鏟煤板右側(cè),如圖6(b)、圖6(c)所示。三個(gè)應(yīng)力云圖可知,高應(yīng)力部位主要集中在啞鈴窩凹凸端頭、鏟煤板和肋板交界處。啞鈴窩凹凸端頭高應(yīng)力來(lái)源主要有兩個(gè)方面,一方面,中部槽凹凸端頭之間需要相互搭接,凸端頭需要搭接在凹端頭上以便于啞鈴銷(xiāo)連接,而中部槽在Y向力的作用下的相互移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致凹凸端頭之間產(chǎn)生力,產(chǎn)生力的作用面分別為凸端頭的外側(cè)及凹端頭的內(nèi)側(cè)。由三個(gè)應(yīng)力云圖可知,端頭處高應(yīng)力部位與理論分析得出高應(yīng)力部位是一致;另一方面,啞鈴銷(xiāo)與中部槽凹凸端頭的相互擠壓也是產(chǎn)生高應(yīng)力的原因之一,中間中部槽與鏟煤板側(cè)兩節(jié)啞鈴銷(xiāo)縱向位移圖,如圖7所示。由圖中可以看出,中部槽的X向位移總體小于啞鈴銷(xiāo)的X向位移,所以,兩者之間一定存在著相互擠壓力。另一個(gè)高應(yīng)力出現(xiàn)的位置是鏟煤板側(cè)肋板根部,且高應(yīng)力位置隨著平滑靴的移動(dòng)而變換位置,由于平滑靴對(duì)鏟煤板向下的作用力,迫使鏟煤板向下產(chǎn)生變形,而肋板的作用則是阻止這種變形,所以出現(xiàn)了高應(yīng)力部位。對(duì)于后槽幫,由圖4可知,作用于銷(xiāo)軌上的Z向力相比于作鏟煤板上的力要小得多,所以它對(duì)中部槽、啞鈴銷(xiāo)的影響是比較小的,高應(yīng)力區(qū)域基本沒(méi)有出現(xiàn)。

        圖7 位移曲線(xiàn)Fig.7 Displacement Curve

        選取左、右側(cè)啞鈴窩及5節(jié)肋板根部的典型應(yīng)力單元,其中數(shù)字表示5個(gè)肋板根部的典型應(yīng)力單元,應(yīng)力曲線(xiàn)圖,如圖8所示。由圖可以看出,左右側(cè)啞鈴窩受力曲線(xiàn)明顯高于肋板根部,這也導(dǎo)致啞鈴窩成為最容易損壞的部位。由以上分析可知,啞鈴窩、肋板根部為中部槽主要損傷部位,這與實(shí)際工況下中部槽斷裂位置一致,實(shí)際工況下中部槽斷裂位置,如圖9所示。

        圖8 典型單元應(yīng)力曲線(xiàn)圖Fig.8 Stress Curve of Typical Elements

        圖9 實(shí)際工況下中部槽斷裂位置Fig.9 Fracture Location of Middle Trough Under Actual Working Conditions

        3.3.2 啞鈴銷(xiāo)受力分析

        取鏟煤板右側(cè)啞鈴銷(xiāo)為例進(jìn)行分析。為3個(gè)不同側(cè)面應(yīng)力云圖,如圖10所示。由圖4可知,啞鈴銷(xiāo)的軸向截面為半圓形,弧形面?zhèn)扰c中部槽凹凸端頭向接觸的,由三個(gè)受力云圖可以看出,隨著時(shí)間的變化,啞鈴銷(xiāo)主要受力部位沒(méi)有太大變化,主要集中在弧形面的截面突變處,最高應(yīng)力為450MPa左右,沒(méi)有超過(guò)材料的屈服極限。在鏟煤板側(cè),中部槽主要受到來(lái)自平滑靴向下的拉力,會(huì)有向下的變形趨勢(shì),因此會(huì)對(duì)啞鈴銷(xiāo)產(chǎn)生擠壓導(dǎo)致變形,進(jìn)而產(chǎn)生高應(yīng)力部位。由圖可知,高應(yīng)力部位均位于啞鈴銷(xiāo)大截面與小截面的過(guò)渡位置,由于截面面積突然變小,導(dǎo)致作用力面積隨之減小,故而導(dǎo)致應(yīng)力集中,產(chǎn)生高應(yīng)力部位。

        圖10 啞鈴銷(xiāo)等效應(yīng)力云圖Fig10 Equivalent Stress Nephogram of Dumbbell Pin

        4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

        由以上分析可知,中部槽最大應(yīng)力位置位于啞鈴窩凹凸端頭處,容易發(fā)生斷裂。中部槽凹凸端頭處厚度較薄,導(dǎo)致與啞鈴銷(xiāo)的接觸面積較小,凹凸端頭處反作用力較大,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此對(duì)凹凸端頭處改進(jìn),原厚度為70mm,在不改變?cè)冉Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,槽幫弧形處厚度增加量分別設(shè)為6mm、10mm,即厚度變?yōu)?4mm、60mm,如圖11所示。啞鈴銷(xiāo)軸間半徑比較小,為了避免軸間半徑后應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生,故不改變它的半徑。改進(jìn)之后,槽幫厚度增加,與啞鈴銷(xiāo)的接觸面積增大。

        圖11 槽幫弧形處厚度改善圖Fig.11 Thickness Improvement Diagram of Slot Arc

        為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)改進(jìn)的效果,在相同的邊界條件下,對(duì)改進(jìn)之后的中部槽-啞鈴銷(xiāo)連接體系重新仿真,查看應(yīng)力分布情況。是改進(jìn)前后中部槽右側(cè)啞鈴窩的典型單元應(yīng)力云曲線(xiàn)圖,如圖12所示。改進(jìn)前典型單元應(yīng)力曲線(xiàn),如圖12(a)所示,改進(jìn)后的厚度分別為64、60的中部槽,典型單元應(yīng)力曲線(xiàn),如圖12(b)、圖12(c)所示。由圖中可以看出,改進(jìn)之后,在(4~8)s的時(shí)間段里,最大等效應(yīng)力明顯減小,有利于提高中部槽的使用壽命。所以,在中部槽質(zhì)量增加允許的情況下,可以適當(dāng)考慮增加凹凸端頭的弧形厚度。

        圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后典型單元應(yīng)力曲線(xiàn)圖對(duì)比Fig.12 Comparison of Stress Curves of Typical Elements Before and After Structural Optimization

        5 結(jié)論

        對(duì)中部槽、啞鈴銷(xiāo)進(jìn)行了在采煤機(jī)直線(xiàn)行走工況下的動(dòng)力學(xué)分析,通過(guò)ADAMS分析得出采煤機(jī)作用在中部槽上的載荷,在LS-DYNA中對(duì)中部槽-啞鈴銷(xiāo)連接體系進(jìn)行仿真分析研究,得出以下結(jié)論:

        (1)采煤機(jī)直線(xiàn)割煤時(shí),中部槽受力較大的位置主要位于啞鈴窩凹凸端頭處及鏟煤板側(cè)的肋板根部,這兩個(gè)位置也是容易發(fā)生斷裂的部位。

        (2)啞鈴銷(xiāo)受中部槽的擠壓,高應(yīng)力部位主要出現(xiàn)在軸向的截面突變處。

        (3)為了改善受力情況延長(zhǎng)使用壽命,可以考慮增加啞鈴窩凹凸端頭處的槽幫厚度以減小高應(yīng)力區(qū)域,為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了方向。

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