李明昊，趙麗娟，喬 捷，馬小英

（1.沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧 沈陽 110159 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧 阜新 123000 3.遼寧省大型工礦裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧 阜新 123000）

0 引言

采煤機(jī)牽引部行走機(jī)構(gòu)殼體是采煤機(jī)牽引部的關(guān)鍵零件，受到復(fù)雜的瞬時(shí)載荷作用，合理的設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)殼體是采煤機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]。對(duì)薄煤層采煤機(jī)牽引部行走機(jī)構(gòu)殼體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立了采煤機(jī)整機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析模型，結(jié)合有限元軟件ANSYS得到了行走機(jī)構(gòu)殼體變形云圖、等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變?cè)茍D和拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。

1 采煤機(jī)截割機(jī)理

采煤機(jī)在工作過程中，螺旋滾筒受到復(fù)雜的瞬時(shí)載荷，螺旋滾筒主要受到側(cè)向力、牽引阻力和截割阻力[3]，滾筒受力分析如圖1所示。

圖1 螺旋滾筒受力分析

圖1 中Xj為截齒的側(cè)向力；Yj為截齒的牽引阻力；Zj為截齒的截割阻力，當(dāng)截齒為鋒利狀態(tài)時(shí)，截齒的截割阻力Z0為：

當(dāng)截齒鋒利截割煤壁時(shí)，為：

當(dāng)截齒鋒利截割煤壁時(shí)，為：

當(dāng)截齒磨鈍截割煤壁時(shí)，為：

2 采煤機(jī)虛擬樣機(jī)模型的建立

2.1 瞬時(shí)負(fù)載模擬

利用MATLAB 軟件對(duì)薄煤層采煤機(jī)進(jìn)行載荷模擬，基于表1 的工況對(duì)采煤機(jī)的載荷進(jìn)行模擬。利用公式（1）～（5）計(jì)算滾筒截齒的瞬時(shí)載荷，將截齒的載荷轉(zhuǎn)化到滾筒的質(zhì)心處，得到圖2 的螺旋滾筒三向力和三向力矩曲線，圖2a中的曲線分別代表螺旋滾筒X、Y 和Z 方向的受力，圖2b 中的曲線分別代表螺旋滾筒X、Y和Z方向的力矩。

表1 采煤機(jī)瞬時(shí)負(fù)載計(jì)算參數(shù)

圖2 采煤機(jī)螺旋滾筒瞬時(shí)負(fù)載

2.2 采煤機(jī)虛擬樣機(jī)模型的建立

將建立的采煤機(jī)三維PRO/E 模型轉(zhuǎn)化為通用格式，導(dǎo)入到動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS 中。設(shè)置采煤機(jī)各個(gè)零部件的材料參數(shù)，加載對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副和約束，由于采煤機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要為齒輪傳動(dòng)，選用沖擊函數(shù)法定義齒輪傳動(dòng)的接觸對(duì)，如圖3所示：

圖3 齒輪間接觸的定義

利用Mark 點(diǎn)添加機(jī)械零部件之間的約束，利用STEP函數(shù)設(shè)置電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，利用ADAMS/View 中的檢查分析模塊對(duì)其進(jìn)行檢查約束設(shè)置是否合理[4]，得到虛擬樣機(jī)模型如圖4所示。

圖4 采煤機(jī)虛擬樣機(jī)模型

2.3 虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

在動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS 中進(jìn)行分析求解，得到牽引部行走機(jī)構(gòu)的齒輪接觸力圖，如圖5 所示。對(duì)牽引部行走機(jī)構(gòu)的齒輪接觸力進(jìn)行分解，加載在行走機(jī)構(gòu)殼體的有限元模型上，可以得到行走機(jī)構(gòu)殼體的有限元分析結(jié)果，為殼體拓?fù)鋬?yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。

圖5 齒輪接觸力圖

3 牽引部行走機(jī)構(gòu)殼體的拓?fù)鋬?yōu)化

有限元分析是一種用來分析結(jié)構(gòu)在給定的載荷作用下所產(chǎn)生的位移形變，等效彈性應(yīng)變，以及等效應(yīng)力等結(jié)果。Ansys 的分析步驟為先進(jìn)行導(dǎo)入實(shí)體，對(duì)導(dǎo)入實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分過程中根據(jù)實(shí)體的具體情況進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]，選取合適的網(wǎng)格大小，再對(duì)導(dǎo)入實(shí)體進(jìn)行固定約束，添加載荷，最后求解。導(dǎo)入減速器行走機(jī)構(gòu)殼體三維模型的模塊見圖6。

圖6 導(dǎo)入行走機(jī)構(gòu)殼體模型

需要利用靜力學(xué)分析模塊（Static Structural）求解，由于行走機(jī)構(gòu)殼體模型比較復(fù)雜，要利用幾何體模塊（Geometry）導(dǎo)入三維模型，將A2與B3進(jìn)行連接，導(dǎo)入行走機(jī)構(gòu)殼體模型。

對(duì)殼體進(jìn)行劃分網(wǎng)格，利用Model進(jìn)入模型，選擇mm 單位。點(diǎn)擊左側(cè)模塊中的“Mesh”，左下角會(huì)出現(xiàn)“Details of Mesh”模塊，點(diǎn)擊Sizing選項(xiàng)，在下拉選項(xiàng)中的“Element Size”將網(wǎng)格大小設(shè)為5 mm，最后單擊“Generate Mesh”，得到的殼體網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖7。

圖7 網(wǎng)格劃分圖

網(wǎng)格劃分結(jié)束后進(jìn)行固定約束和加載荷。由于行走機(jī)構(gòu)殼體是由五個(gè)螺栓進(jìn)行固定，所以在螺栓孔加固定約束。單擊“Static Structural”選項(xiàng)，工具欄會(huì)出現(xiàn)“Supports“Loads”等選項(xiàng)。單擊“Supports”選項(xiàng)下的“Fixed Support”選項(xiàng)，添加固定約束，如圖8 所示。行走機(jī)構(gòu)殼體主要受力位置主要是齒輪嚙合力的作用，點(diǎn)擊“Loads”選項(xiàng)下的“Force”選項(xiàng)添加載荷圖5 的載荷，圖9為加載荷位置。

圖8 固定約束

圖9 載荷加載圖

對(duì)殼體進(jìn)行靜力學(xué)分析，需要選擇求解的內(nèi)容，點(diǎn)擊 solution,添加變形（Deformation--Total）,添加應(yīng)變（Strain--Equivalent），添加應(yīng)力（Stress--Equivalent），點(diǎn)擊Solve求解。得到的求解結(jié)果如圖10～12所示。

圖10 變形云圖

圖11 等效應(yīng)變?cè)茍D

圖12 等效應(yīng)力云圖

由圖 10～12 所示，最大變形為0.130 05 mm；行走機(jī)構(gòu)殼體的最大等效應(yīng)力為187.41 MPa；最大等效應(yīng)變?yōu)?.000 941 7 mm。

由于行走機(jī)構(gòu)殼體的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在拓?fù)鋬?yōu)化環(huán)節(jié)需要導(dǎo)入模型后再次進(jìn)行網(wǎng)格劃分、施加固定約束和加載載荷。對(duì)殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，設(shè)定拓?fù)鋬?yōu)化約束為減少質(zhì)量25%，進(jìn)行求解，結(jié)果見圖13。

圖13 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

4 結(jié)論

對(duì)薄煤層采煤機(jī)牽引部行走機(jī)構(gòu)殼體進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，基于仿真結(jié)果對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到的結(jié)論如下：

（1）基于采煤機(jī)破煤理論，得到了薄煤層采煤機(jī)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)載荷；利用PRO/E、ADAMS和MALAB建立了采煤機(jī)虛擬樣機(jī)模型。基于采煤機(jī)虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果，利用ANSYS 軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，得到了牽引部機(jī)構(gòu)殼體變形云圖、等效應(yīng)力云圖和等效應(yīng)變?cè)茍D，最大值分別為0.130 05 mm、0.000 941 7 mm和187.41 MPa。

（2）基于仿真結(jié)果，對(duì)牽引部機(jī)構(gòu)殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分，設(shè)定拓?fù)鋬?yōu)化的約束為減少質(zhì)量25%，得到了行走機(jī)構(gòu)殼體的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果云圖，為采煤機(jī)牽引部機(jī)構(gòu)殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。

（3）將虛擬樣機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)相結(jié)合，對(duì)采煤機(jī)牽引部行走機(jī)構(gòu)殼體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)殼體進(jìn)行分析，提出優(yōu)化策略。為牽引部行走機(jī)構(gòu)殼體的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐和理論方法，可以縮短研發(fā)周期，節(jié)約設(shè)計(jì)制造成本。