一种新型掘进机工作机构的有限元分析.pdf

4 2 煤 矿 机 械 2 0 0 4年第 8期 文 章编 号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 4 0 8 0 0 4 2 0 3 一 种新型掘进 机工作机构 的有 限元分 析 * 杜 以昌’ ，赖 涤泉 ，李建 英 1 ． 石 家庄 铁 道学 院 四方 学 院 ，河 北 石家 庄 0 5 0 0 4 3 ；2 ． 石家庄 铁道 学 院 机 械工 程分 院 ，河北 石 家庄 0 5 0 0 4 3 摘要 对 自行研 制的软岩 隧道臂 式掘进机 肱尺分动 式工作机 构进 行 了有 限元 分析 ， 得 到 了 不 同工况 下工作机 构的 受力和 变形情 况。采 用 了接 触非线性有限元理论和子结构 方法来处理销轴 联 接 。 使 计算结果 更加 准确 ， 为 工程设 计提供 了有 力的理论依 据。 关键词 臂 式掘进机 ；工作机 构 ；有 限元 中图号 T D 4 2 1 ． 5 0 2 4 2 ． 2 1 文献标识码 A 1 引言 J S B Z 1 3 2型掘 进机 是一种 具有新 型工作 机构 的 部 分断面隧道掘 进机 ， 它集 开挖 、 装碴 和 自动行走 于 一 身 ， 操作 方便 ， 对复杂地质适应性强 ， 便于支护 ， 非 常适合 于软岩 隧道的掘进 。该掘进机 的工 作机构采 用肱臂 和尺臂 相连接形 式 称 之 为肱尺 分动 式工 作 机构 。在工作过 程 中 ， 工 作臂 是 主要承 载部 件 ， 应 *铁 道部 科技 发 展计 划 项 目 9 9 G 5 4 力状态 比较复杂 ， 其 刚度 的 大小将 直接 影 响截 割 头 的切削性能 。 在该机构 见图 1 中 ， 杆 0 2 3 4为肱臂 ， 上面安 装 有 4个铰 点 ， 其 中铰点 0与 回转 台相 连 ， 作 为肱臂 在 竖直面 内的 回转铰 点 ， 铰点 2安装 肱臂 液 压缸 的 上 支耳 ， 铰点 3安装尺臂液压缸 的下 支耳 ， 铰 点 4连接 尺臂 ， 为尺臂 的回转点 。尺臂 为杆 4 、 6 ， 其 上 的铰 点 5安装 尺臂 液压缸的上支耳 ， 6点 为截割头 的球 形 中 心。工作机构 中铰点数量的增多 和工 作臂 长度 的增 四连杆机构运 动时的结点运 动轨迹 以及运动时部件 干涉显示 ， 并在仿 真过 程 中 ， 可 以随时保 存 纪要 、 图 片或文 档 ， 可以创 造一个更加程式化 的 ， 完全归档 的 全 自动仿 真过程 。 1 干涉分析 与测量工具 干 涉分析是验证装 配体工作时是否发生碰撞 的 理 想工具 。通过 指定 2个检 查对 象 ， 并 指定提 供反 馈 的形 式 ， 系统 就能 自动分析判 断零 件是否干涉 ， 并 给出相应 的反馈 信 息。若 发生 干涉 ， 还 可 以使 用 系 统 提供 的各种距离 、 角度等测量工具 找出干涉原因。 2 运动仿真 可用 D e s i g n S p a c e A N S Y S公 司发布的 S o l i d E d g e 无缝连 接的产 品仿真 软件 对产 品进行仿 真测 试 ， 减 少 了样 机 试 制 与 测 试 的麻 烦 及 相关 的 费 用 支 出。 D e s i g n S p a c e由 于 采 用 了 参 数 化 仿 真 功 能 ， D e s i gn S p a c e和 S o l i d E d g e能 够 双 向 关 联 。使 用 D e s i gn S p a c e的参 数管理 表 ， 用户 可 以输 入多 种设 计规 则 ， 只要点击一下 鼠标 ， 就能生成新 的模型并 进行 分析 ， 这对于评估多种设计方案极为有利 。如果 需要进行 非线性有 限元分析 。 无论 处在何种阶段 ， D esi gn S p a c e 都能智能地 将 当前 的成果 转 换为 象 A N s Y S一 样 的 高端 F E A软件。 参考文 献 [ 1 ] 邢邦圣， 陶晓巍 ． 现代 C A D技术及应用[ J ] ， 煤矿机械 ， 2 O O 2 ， I 23． [ 2 ] 孟二 存 ， 张银亮 ， 王彪谋 ， 等 ． 关于 液压 支架辅 助设 计的思 考 [ A] ． 地下开采现代技术理论与实践[ C ] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 2 O O 2 ， 4 8 04 8 3． [ 3 ] 丁绍 南 ． 液压 支架设 计 [ M] ． 北 京 世界 图书 出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 4 ] G u p ， C h a n K． P r o d u c t mo d e l i n g u s i ng S T E P [ J ] ． c o m p u t e r A i d e d D e - s i g n ， 1 9 9 5 ， 2 7 3 1 6 3 1 7 9 ． 作者简介高闱 1 9 7 5一 ， 山西高平人， 助理工程 师， L 9 9 8 年毕 业于河南农业大学机电工程系， 现在郑州煤矿机械集 团有限责任公 司研 究所从 事液 压支架 设计 工作 ． T e l 0 3 7 17 8 9 1 1 8 8 ， Em a i l s o s w e i l 8 3 ． h a． c n． 收稿 日期 -- 2 0 0 4 0 5 1 9 A f e w 0 f t hr e ed i me n s i o na l CAD dis c u s s i o n i n h y d r a u l i c p o we r s upp o r t GAO W e i ，S ANG Ch o n g f e n g Z h e n g z h o u Mi n i n g M a c h i n e r y G r o u p L i mi t e d C o m p a n y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 7 ， C h i n a Ab s t r a t B a s i n g o n t h e p r o d u c t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f h y d r a u l i c p o w e r s u p p o r t - as a J l e x a mp l e o f So l i d E d g e s o f t w a r e - t h e a r t i c l e p u t s f o r w a r d h y d r a u l i c powe r s u p p o rt C AD p r o c e s s ． Ac c o rdi n g t o fl o w c h a rt a n d a c c e s s o r y mo d u l e- a s s e mb l y m od u l e - p r o j e c t p i c t u r e m odu l e i n c o m b i n a t i o n w i t h s o f t w a r e of Sol i d Ed g e ． I t d i s c u s s e s f r o m t h ree d i m e n s i o n a l b u i l d i n g m odu l e - fi c t i t i o u s p r o d u c t i o n ass e mb l y- s t a t i c s a n a l y s i s an d d y n a m i c s an aly s i s ． A t t h e s a me t i me - w i t h t h e c h a r a c t e ris t i c o f sof t w a r e - i t p u t s f o rw a r d c o r r e s po n d i n g e x a mpl e． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s u p p o rt； t h r e ed i me n s i o n al m od e l i n g ； sol i d e d g e ，I fi c t i t i o u s p rot o t y p e，I s t r e s s an aly s i s 维普资讯 2 0 0 4年第 8期 一种 新型掘进机工作机构 的有限元分析 杜以 昌， 等 4 3 加可能引起工作臂刚度降低、 受力增 大等问题 。 为了保证 机器 的截割 性 能 ， 有必 要对 工作 机构 的 强 度和刚度进行 分析 。工作 臂 是采 用钢 板组 焊 而成 ， 截面形状复 杂 ， 又同时受到弯 曲和扭转 力矩的作用 ， 用传统分析 方法很难精确计 算零件各个部 位的应 力 和变形值 。而有 限元方 法 在计 算强度 、 变形 以及 模 态分析 等方面有 突出的优点 ， 所 以 ， 采用 有限元方法 对工作 机构的强度和 变形进行分析 。 图 1工 作 机 构 示 慝 图 Fi g． 1 T h e M u c i u r e a n d wo r l c i n f o r c e s c h a r t o f t h e wo r l c i n me ch an i s m 2截割头 受力分析 臂式 掘进机截割岩 石的过程就是利用截 割头 上 的截齿将机 械作用 力作 用在 岩体表 面 ， 使 岩石块 从 岩体 上剥 离下来 的过程。工作过程 中随着 截割位置 的变化 ， 截割 头受力 也 不 断变化 。通过 对截 割力 在 截割头轴线 方 向、 竖 直面 内截 割头 径 向和水 平方 向 的分解 ， 可得 到 P． 、 P P 3个分 力 和扭矩 ， 如 图 2所示 。 图 2截 割头 载荷 图 Fi g． 2 T h e wo r k i n g f o r c e s c h a r t o f t he c u t t e r 3典型工况 及载荷分析 应力分析与计算应当选择工作机构受力最大和 最危险 的工况 。根 据 实际 经验 和机 构受力 分析 ， 确 定 了 2种典 型工 况 1 截 割最高位 置时的工况 ， 液压缸伸到最 长位 置 ， 水 平 回转液压 缸摆动 ， 截割头在水平 面内横 向摆 动。此时 P 。 为牵引力 ， P 为截割阻力 ， P ． 0 。 2 截割前 方最远位置 时的工况 ， 水平 回转液 压 缸摆动 ， 截 割头 在 水平 面 内横 向摆 动 。此 时 P 。为 牵引力 ， P ， 为截割 阻力 ， P． 0 。 4 有 限元模型 4 ． 1 单 元 类 型 8结 点 3 D壳单元 是一种 曲面单 元 ， 具有 中 间结 点b 】 ， 可 以描 述壳体真正 的几何 形状 ， 从而 能用不 多 的单元来代 替复杂形 状 的壳 体 ， 得 到具 有 一定 精 度 的解 。对 于 由钢板 冲压 、 卷 曲、 焊 接 而成 的机 械 零 件 ， 使用这种单 元进 行 有 限元分 析 比较 合适 。在 臂 式掘进机工作机构 中 ， 肱臂 和尺臂采用钢板 焊接 ， 包 括平面和 曲面。所 以 ， 本 文选 择 8节点 3 D壳单 元来 进行 有限元分析 。肱 臂和尺臂 的有 限元 网格模 型如 图 3和图 4所示 。 图 3肱 臂有 限 元模型 F i g． 3 Th e fi n i t e e l e me n t s mo d e l o f h u me r u s m- m 图 4尺臂 有限 元模 型 Fi g。 4 Th e fi n i t e e l e me n t s m o d e l o f u l n a m- m 4 ． 2接触非 线性 和子结构技术 肱臂 、 尺 臂与 其它 部件 的连接 都采 用销 轴联 接 如 图 l 所示 。销轴联接 为有限元分析带 来一定 的 困 难 ， 如果按照普通 的 自由度 约束 方式 很难 正 确模 拟 其运动状态 。实际上 ， 工作 机构 中的销 轴联 接 属 于 接触问题 ， 载 荷 和 约束 全 部 施 加 在 销轴 上 ， 再 通 过 销 、 孔外表面接 触作 用到 各臂 上 。为 了计算 工 作臂 在典型工况下 的应力 分 布情 况 和整体 变 形情 况 ， 这 里采用了接触非线性技术来 考虑销轴联 接 。 接触 问题是 一种非 线性 问题 ， 接 触分 析 的难 点 在于 1 求解 之前 ， 接触区域是未知 的如 图 5所示 ， 销 、 孔联接属 于面与面的接 触 ， a面 为 圆柱销 的外 表 面 ， b面为孔 的 内表面 。a 、 b两面 的接 触位 置随着 力 F方 向的变化而 变化 。 2 大 多数 接 触 问题需 要 计 算摩擦 ， 它们 也是非线性 的 ， 有可能 降低解题 的收敛 性 。 3 计算机 资源需求量 大 ， 计算时 间长 。 维普资讯 4 4 一 种新型掘进机工作机构的有 限元分析 杜 以昌， 等 2 0 0 4年第 8期 图 5销 、 孔 表 面 接 触 示 薏 图 F i g ． 5 T h e s u r f a c e c o n t a c t s k e t c h ma p o f d o w e l a n d b o r e 建立有 限元 模 型 时 采 用柔 体一柔 体 的接 触 类 型 ， 在销 轴外 表面 和销孔 的 内表面采 用面一 面接 触 对 ， 销轴外表面作 为 目标 面选择 1 7 0单元 ， 销孔 内表 面作 为接触面选择 1 7 4单元 。 另外 ， 为了利用有限的计算机 资源进行 非线 性求 解 ， 这里采用 了有限元子结构技术 。子结构技术 就是 将一组单元用矩阵凝 聚成一个单元 的过程 。这个矩 阵单元 称 为超单 元 ， 它可 以像 其他 单元类 型一样使 用。在计算过程 中， 将 非线性部分 之外 的部分 非接 触部分 作 为子结构 ， 生成一个超单 元 。在非线性 部 分求解 时， 读入 超单 元和载荷 向量 ， 迭代 时就省去 了 子结构部分的重复计算 ， 大大减少了迭代时间。 4． 3栽荷 与约束 整 个工作机构 的受力分析 可以分 2步完成 1 固定肱臂 ， 单独对 尺臂 部分 进行 受力分 析 ； 2 对 肱 臂进行分 析。整个工作机构 中的所 有约束均发生 在 销轴联 接上 ， 如图 1 所示 。 先 进行 尺臂受 力分 析 ， 载荷 即为施加 在截 割头 上 的外 载荷如前所述 。此 时可以假 设铰点 4和铰点 3处 的 销轴 固定不 动 ， 铰点 5处销 轴 可 以绕铰 点 3 转动 。 因此 ， 约束 条 件 为 1 在 铰 点 4处 ， 销 轴 固 定 ， 并 约束 销孔的轴 向 自由度 ， 其他方 向的 自由度靠 接触对来 约束 ； 2 在 铰点 5处 ， 销轴 可 以绕 铰点 3 转动 ， 其余 自由度 全部 约束 。约束 销孔沿 轴 向的 自 由度 ， 其他方 向的 自由度依靠接触对来 约束。 再进行肱臂 受力 分 析 ， 作 用 在 铰点 3和铰点 4 处 销轴上 的作用力 和 肱臂 液压 缸作用 力 已知 ， 这样 肱 臂部分 的载荷 即为铰点 4和铰点 3处销轴 上的作 用力 。按照相 同的方法 ， 1 在 铰点 0处 ，约束销轴 的全部 自由度 ， 约束该处销孔 的轴 向位移 ， 建立接 触 对； 2 在铰点 2 处 ， 除绕 1 点的转动之外约束销轴的 所有自由度， 建立接触对； 3 在铰点 3 和 4处 ， 约束 销轴的轴 向位移 ， 建立接触对 ， 并在销轴上施加载荷。 5 计算结果 利用 A N S Y S有限元程序对 上述 模型进 行求 解 ， 可以得 到整个机构 的应力分 布和变形情况 。 1 尺臂计算 结果 由工况 1尺臂变形图知尺臂后面变形量较 小， 截 割头部位的变形量最大 ， 最大变形量为 1 ． 9 6 7 r n n l 。 由工况 1 尺臂应力分 布图知在 中部钢板直角 连 接 处的应力最 大 ， 达 到 了 1 8 0 MP a ， 主要 是钢 板横 向 抗弯性差的缘故 ， 因此 ， 在设计 中应考虑 在钢板直角 连接且有横 向弯矩的地方加肋板 。尺臂 的后部应力 不大 ， 一般在 2 O M P a以下 ， 可考 虑适 当减 小 钢板 厚 度 。 2 肱臂计算结果 由工况 1肱臂变形 图知在 固定铰支点 1处的变 形量最 小 ， 铰 点 4处 的 变 形量 最 大 ， 为 0． 9 6 6 m l- n 。 由工况 1肱 臂应 力 分 布 图知箱 体 内的 隔 板应 力 很 小 ， 约在 6 MP a 左右 ， 可以考虑减小隔板厚度或 减少 隔板数 目， 工况 2肱臂计算结果 与工况 1 基本 相似 。 从计算结果 可 以看 出 ， 肱臂 和尺 臂在 2种典 型 工况 下 的应力 一般 在 5 0 M P a以下 ， 变形 量在 2 m l - n 以内 ， 说明板厚适 当 ， 结构 比较合理 。但某 些部位 的 应力 超过了 1 8 0 MP a ， 需要 采取 加强措 施 ， 而某 些部 位应力 过低 ， 应适 当减小钢板厚度 。 参考 文献 [ 1 ] 赖涤泉， 李建英 ， 朱齐平． 臂式掘进机及其在我国铁路隧道中的应 用[ J ] ． 工 程机械 与维修 ， 2 0 0 1 ， 4 5 1 5 4． [ 2 ] 黄民 ， 吴 淼 ， 安 伟 ， 等 ． 横 切 割 头掘 进 机械 振 动测 试 及 模 态 分 析 [ J ] ． 中 国矿业大学 学报 ， 1 9 9 7 ， 2 6 2 1 51 9 ． [ 3 ] 丁皓江 ， 何 福 保 ， 谢 贻 权 ， 等 ． 弹性 和 塑性 力 学 中 的 有 限 单 元 法 f M] ． 北京 机械工 业出版 社 第 2版 。 1 9 8 9 ． 作者简介 杜以昌 1 9 7 2 一 ， 山东膝州人 ， 石家庄铁道学院四方 学院讲师， 2 O O 2 年毕业于西南交通大学机械工程学院并获硕 士学 位， 主要从事机械教学和管理工作 ． T e l 0 3 1 1 7 9 3 5 0 1 9 ， E - m a i l d y c s j ． e d u ． c n ． Th e fin i t e e l e me n t a n a l y s i s f o r wo k i n g o f a n e w r o a d he a d e r 收稿 日期 2 0 04． 0 4 ． 04 me c ha nis m 维普资讯