采煤机导向滑靴疲劳与模态分析.pdf

第 4 3卷 第 1 1 期 2 0 1 7年 l 1月 工矿 自 动 化 I n dus t r y a n d M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 3 NO ． 1 1 NO V ． 2 O1 7 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 1 1 0 0 5 4 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 1 1 ． 0 1 1 采煤机导向滑靴疲劳与模态分析 李 江云 ～， 王 义亮 ， 杨 兆 建 1 ． 太 原 理工 大学 机 械工 程学 院 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 煤 矿综采 装 备 山西省 重点 实验 室 ，山西 太 原0 3 0 0 2 4 摘要 结合 某 型号 采煤机 导 向滑靴 实际工 况 ， 基 于 ANS YS对 采煤 机 导 向 滑靴 进 行 了静 强度 、 疲 劳及 模 态分 析 ， 分析 结果 表 明 采煤机 截 割 阻力和 牵 引力 不在一 条 直线 上 ， 致使 导 向 滑靴 受到 严重 的轴 向 力 ， 这是 造 成 导 向滑靴破 坏 的主要 原 因； 导向 滑靴 的最 大应 力为 2 0 0 MP a 左 右 ， 为许 用应 力 的 7 0 ； 导 向 滑靴 最薄 弱 的 部位位于销轴孔下边； 利用 ANs Ys软件 中的模 态分析模块 ， 得 到导向滑靴在正常截割煤壁过程 中的 固有频 率和 振 型 。该 分析 结果 可 为采煤机 导 向 滑靴 的优化 设计 提供 理论 指 导 。 关键 词 煤炭 开采 ；采煤机 ；导 向滑靴 ；疲 劳分析 ； 模 态分 析 ； 静 强度 分析 中图分类 号 T D 4 2 1 ． 6 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 7 ～ l O 一 2 7 0 8 5 9 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 1 0 2 7 ． 0 8 5 9 ． 0 l 1 ． h t ml Fa t i gu e a nd mo d a l a n a l y s i s o f g u i de d s l i d i ng b o o t s o f s h e a r e r LI J i a n g y u n 一， W ANG Yi l i a n g 一， YANG Z h a o j i a n ， 。 1 ． Col l e ge o f M e c ha n i c a l Eng i n e e r i n g，Ta i y ua n Uni v e r s i t y o f Te c hn ol o g y，Ta i y ua n 0 3 00 2 4，Chi n a 2． S h a n x i Ke y La b o r a t o r y o f Co a l Mi n i n g Eq u i p me n t ，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t St a t i c s t r e n gt h，f a t i gue a nd mod a l a n a l ys i s of gu i d e d s l i di ng bo o t s of s he a r e r we r e d o ne b a s e d o n ANSYS c o m b i ne d wi t h a c t u a l wo r ki ng c on di t i o ns of a c e r t a i n t y pe s he a r e r ．The a na l y s i s r e s ul t s s ho w t h a t c u t t i n g r e s i s t a nc e a n d t r a c t i o n f o r c e o f t he s h e a r e r a r e n o t i n a s t r a i gh t l i n e，r e s ul t i n g i n a s i g ni f i c a nt a x i a l f o r c e o n t h e g ui de d s l i d i ng b oo t s ， whi c h i s i t s ma i n c a u s e o f da m a g e； t he m a x i m u m s t r e s s o f t he gu i d e d s l i di n g bo o t s i s a bou t 20 0 M Pa，whi c h i s 7 O o f a l l owa b l e s t r e s s ；t he we a ke s t p a r t o f t he s l i di n g b oo t s i s l o c a t e d be l o w pi n ho l e；na t u r a l f r e q u e nc y a n d v i br a t i on mod e o f t he gui de d s l i d i n g bo o t s i n no r m a l c u t t i ng p r o c e s s o f c o a 1 wa l l a r e o bt a i ne d us i ng mod a l a n al y s i s mo dul e i n ANSYS s of t wa r e．The a n a l y s i s c on c l us i o n c a n pr o vi de t he or e t i c a l g ui d a nc e f o r o pt i m a l de s i g n o f t he gu i de d s l i d i ng b o ot s o f s h e a r e r ． Ke y wo r d sc o a l m i n i ng； s he a r e r； g ui d e d s l i di ng bo o t s； f a t i gu e a na l ys i s； mod a l a na l y s i s； s t a t i c s t r e ng t h a n a l y s i s 0 引言 滚筒 式采 煤机 是综 采工 作 面生产 原煤 的主要设 备 ， 然而采煤机在使用过程 中可靠性差 ， 故障多 ， 使 用 率低 ， 严 重影 响 工 作 面 高产 高 效 目标 的实 现 。 牵 引部是采煤机故障多发部位， 牵引部构件 的可靠性 收稿 日期 2 O 1 7 O 6 0 8 ； 修回 日期 2 0 1 7 0 8 一 i 3 ； 责任编辑 胡娴。 基金项 目 山西省煤机重点科技攻关项 目 MJ 2 0 1 4 0 5 0 2 ； 山西省科技重大专项项 目 2 0 1 1 l 1 0 1 0 4 0 。 作者 简介 李江云 1 9 9 0 一 ， 男 ， 山西 中阳人 ， 硕士 研究 生 ， 研 究 方 向为 现代设 计 理论 与 方法 ， E ma i l 1 8 7 3 4 8 5 0 4 3 5 1 6 3 ． C O r O 。通 信 作者 王义亮 1 9 6 9 一 ， 男 ， 山西静乐人 ， 教授 ， 硕士研究生导师 ， 研究方向为机械现代设计 、 机械结构及系统动力学 、 机电一体化 、 结 构振动 与噪声分析 与控制等 ， E ma i l wa n g y I l i a n g wy l 1 6 3 ． C O I I I 。 引用格 式 李 江云 ， 王义亮 ， 杨兆 建． 采煤机导 向滑靴疲劳与模态分析E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 1 5 4 5 7 ． L I J i a n g y u n， WANG Y i l i a n g ， Y ANG Z h a o j i a n ． F a t i g u e a n d mo d a l a n a l y s i s o f g u i d e d s l i d i n g b o o t s o f s h e a r e r [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e A u t o m a t i o n， 2 0l 7． 4 3 1 1 5 4 5 7 ． 2 0 1 7年 第 1 1期 李 江 云等 采煤机 导 向滑靴 疲 劳与模 态分析 5 5 决定 采煤 机 整机 的使 用率 。采煤 机 导 向滑 靴在截 割 过程 中起承载和导向作用 ， 根据牵引部故障统计 ， 导 向滑 靴 是牵 引部 的易损 坏 件 ， 因此 ， 对采 煤机 导 向滑 靴进 行疲 劳 可靠性 和模 态 分析 对提 高采煤 机 整机 使 用率有重要意义n ] 。文献 [ 2 - 3 ] 建立 了双滚筒采煤 机整 机 力学模 型 ， 模 拟 了采 煤 机在 牵 引 方 向上 的 动 力学 行 为 ， 分 析 了行 走 部 与 输送 机销 排 之 间 的轴 向 间隙 规律 。本 文 在此 基础 上 ， 结合 某 型 号 采 煤 机 导 向滑 靴 实际 工 况 ， 基 于 ANS YS对 采 煤 机 导 向滑 靴 进 行 静强 度 、 疲劳 及模 态分 析 。 l 导 向滑靴 静强 度及 疲劳 分析 1 ． 1 导向 滑靴 受力 分析 为 了更 真 实 地 模拟 实 际 工 作情 况 ， 在求 解 导 向 滑靴 工作 受力 时 ， 首先 要对 整机 模 型进行 分析 ， 而 不 采 用 采煤 机行 走部 件 的分 离 模 型 。导 向 滑 靴 受 力分 析流 程如 图 1所示 。 截割部 l I 建立整机 负载模拟l l 虚拟样机模型 整机动 力学仿真 导 向滑靴受力分析 图 1 导 向滑 靴受 力分 析流程 F i g ． 1 F o r c e a n a l y s i s f l o w o f g u i d e d s l i d i n g b o o t s 根 据整 机 模 型 ， 采 用 多 体 动 力 学 软 件 AD AMS 仿 真得 到左 右 导 向滑靴 受力情 况 ， 如 图 2所示 。 l 2 0 1 0 0 ＼ z 8 0 60 蠢 o 2 0 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 时间／ s a 右导向滑靴 l 2 O 1 0 0 要8 0 - R 6 0 曩4 0 2 0 O Fi g ．2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l O 时IN／ s b 左导向滑靴 图 2导向滑靴接触力 Co n t a c t f o r c e o f g u i d e d s l i d i n g b o o t s 采煤机 启 动过程 中 ， 需 要 克服 自身惯 性 ， 并在 短 时间 内达到 规定 的牵 引速 度 ， 所 以 ， 启动 阶段 导 向滑 靴 与 销排 间接 触 力 要 比稳 定 行 走 段 大 得 多 。 l 。左 导 向 滑靴 比右导 向滑靴 受 力波 动 更 剧 烈 ， 主 要 受轴 向力 ， 左右导向滑靴轴 向力方向相反， 左导向滑靴轴 向力 大于前 导 向滑靴 轴 向力 的 1 ． 5倍 。因 为截割 阻 力 和 驱动力 不在 一 条直 线 上 ， 致使 采 煤 机 导 向滑 靴 受 到方 向相 反 的轴 向力 ， 造 成 导 向滑 靴 及 采 煤 机 整 机 受扭 ， 这也 是 导 向 滑靴 损 坏 的主 要 原 因 。导 向 滑 靴 轴 向力如 图 3所示 。 6 0 4 0 2 0 Z 。 尽 -2 0 暴 -4 0 - 6 0 8 0 U I 2 j 4 5 6 7 9 J 0 J l l 2 时间／ s 图 3 导 向滑靴轴 向力 F i g ． 3 Ax i a l f o r c e o f g u i d e d s l i d i n g b o o t s 1 ． 2 导 向滑靴静 强度 分析 导 向滑 靴 需 要 承受 采 煤 机 自身 重 力 、 截 割煤 层 时 由煤壁 施加 的滚 筒截 割力 和截 割 附加力 。经 过有 限元 分 析 运 算 引， 得 到 左 导 向 滑 靴 的 应 力 、 应 变 云 图 ， 如 图 4所示 。由图 4可知 ， 左 导 向滑 靴 的最大 应力值为 1 9 5 ． 5 MP a ， 出现在销轴左侧孔的下面， 铰 耳根 部及 内侧 拐 角处等 部位 应力 也较 大 。应力 较大 的部 位容 易发 生 断裂 。 ．2 ⋯ 1 4 O n E- l 0 H 3 ． 8 7 8 5 E“- I M 蚓 , 7i 7X 90 00 E - H}4 目 0 5 0 0 O H E- t H M 目 { 4l5g2 E 一- cⅥ14 目 i ．8 3 1 0 E - 14 _； ．∞g 0 67 00 E _ { l|E - 0 ,1 a 厩 力 b应 变 图 4 左 导 向 滑 靴 应 力 、 应 变 云 图 Fi g．4 Ne ph og r a m o f s t r e s s a nd s t r a i n o f l e f t g u i d e d s l i d i n g b o o t 1 ． 3 疲 劳可 靠性 分析 由于 交 变 载荷 的反 复 作 用 ， 在所 承 受 的 交变 应 力 尚未达 到静 强度 设 计 的 许 用应 力 时 ， 零 件 或 构 件 的局部位置就 会产生 疲 劳裂纹 并扩 展， 最 后 突然 断裂 。 综 合考 虑 多种 影 响 因 素后 ， 采用 Mi n e r 线性 累 积损伤理论进行疲劳寿命预测 ， 在这个过程中， 主要 00 000 O0 00 00 OO OO 0 十 十 EE EEE E EEE EE EE EE E 00 000 OO O0 33O 5i；4i38 5 6 ；ii3 q q 9 R {- 0 l9 5 7 ______；；‘， 5 6 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 应用全寿命 曲线 s N 进行计算。 导 向滑靴 的 材 料 为 3 5 C r Mo ， 该 材 料 在 不 同 存 活率 下的 材料 常数 a和 b值 见 表 1 。 表 1 材料 3 5 C r Mo在不 同存 活率下 的 a ， b 值 Tab l e 1 Va l ue s o f n a n d b o f 35 Cr M o un de r di f f e r e nt s u r v i v a l r a t e s 如果 采用 存 活率 为 5 0 的 中值 S N 曲 线 ， 导 向滑 靴会 处 于 失效 状 态 ， 因 此 ， 采 用 存 活 率 为 9 O 的中值 s一 ， 、 ， 曲线。S N 曲线 的数学表达式为 l g N n b i g S／ MPa 1 式中 N 为疲劳寿命 ； S为外加应力。 由式 1 可 得导 向滑 靴 在 不 同循 环 次 数 下 的应 力 ， 见表 2 。 表 2导向滑靴在不同循环次数下的应力 Ta b l e 2 St r e s s of t h e gui de d s l i d i n g b oot s und e r di f f e r e n t c yc l e nu mbe r s 循环次数 应力／ MP a 循环次数 应力／ MP a 1 O O 1 3 7 7 1 0 0 0 0 0 0 2 81 2 0 0 1 2 3 4 2 0 0 0 0 0 0 2 4 4 5 0 0 1 0 6 5 3 0 0 0 0 0 0 2 2 4 1 0 0 0 9 5 2 6 0 0 0 0 0 0 2 i 0 1 5 0 0 8 9 1 7 0 0 0 0 00 2 0 0 2 0 0 0 7 5 0 8 0 0 0 0 00 1 9 2 l 0 0 00 6 5 0 9 0 0 0 0 00 i 8 6 1 0 0 0 0 0 4 3 4 1 0 0 0 0 0 0 0 1 8 0 a 第 1阶 位移／ mm 由 AN S Y S分析得到导向滑靴的疲劳使用系数 D一0 ． 3 5 8 7 9 1 ， 说 明其 在 正 常 运 行 下 无 疲 劳 损 伤， 满足使用要求。 2导 向滑 靴模 态分 析 利用 ANS YS软件 中的模 态分 析 模块 得 到 导 向 滑靴在正常截割煤壁过程 中的同有频 率和振型 ， 为 研究各工况下所受动载荷 作用提供数据 参考 。前 5阶起 主要作 用 ， 所 以只取 前 5阶模 态频 率 和振 型 。 导 向滑靴前 5阶模 态频 率 见 表 3 。第 1阶 模 态 频率 为 3 0 3 ． 4 9 Hz ， 接 近 刚体 模 态 。 由于 限制 导 向 滑靴 沿 ， Y， z移 动 ， 第 2 5阶模 态 频 率依 次增 大 。 当外 界激 励等 于这 几 个 频 率 值 时 ， 导 向滑 靴 会 发 生 共振 。 表 3 导 向滑靴 的模态频率 Ta b l e 3 M o d a l f r e q u e n c i e s o f g u i d e d s l i d i n g b o o t s 阶别 模态频率／ Hz 阶别 模态频率／ Hz 第 1阶 3 0 3 ． 4 9 第 4阶 9 0 5 ． 7 8 第 2阶 5 3 2 ． 0 5 第 5阶 1 0 3 4 ． 9 第 3阶 7 5 0 ． 0 8 导 向滑 靴前 5阶 振型 如 图 5所 示 。图 5说 明 了 当不 同的同有频率被 激发 时， 导向滑靴振动 幅值 的 相对 大小 。由图 5 a 可 知 ， 正 常截 割 过 程 中 导 向 滑 靴 沿 z 轴 方 向移 动 ， 滑 靴底 部 两 端 相 向沿 轴 方 向 上 下 弯 曲 ， 最 大 位 移 5 ． 8 5 4 mm 发 生 在 右 侧 。 由 图 5 b 可知 ， 导 向滑 靴底 部伸 出部 分 整 体 沿 轴 拉 伸 移 动 ，向 导 向 滑 靴 后 侧 弯 曲 ，最 大 位 移 4 ． 8 7 4 mm 发 生在 最 右 侧 。 由 图 5 c 可 知 ， 导 向 滑 靴 两 端 相 向 绕 Y 轴 方 向前 后 弯 曲 ， 与 第 1 阶 振 动 形 b 第 2阶 c 第 3阶 d 第 4阶 e 第 5阶 图 5导 向滑靴各 阶振 型 Fi g． 5 Vi br a t i o n mo de s of gu i d e d s l i di ng b o ot s 位 璺H 嗣 H ■ 化t蕊r J u H墨● 似 ■门H门H ■ 2 0 1 7年第 1 1 期 李江云等 采煤机导向滑靴疲劳与模 态分析 5 7 式相同， 但方向不 同， 而且 明显 比第 1阶振动剧烈 ， 最大位移 为5 ． 2 0 1 mm。由图 5 d 可知 ， 导向滑靴 两端绕z轴同起同落 ， 整个 导向滑靴受掰 ， 最大位移 为9 ． 0 2 4 mm。由图 5 e 可知 ， 导向滑靴两端绕．2 7 轴 相 向扭 曲变形 ， 两 销 轴 孔 位 移 大 于导 向滑 靴 底 部 位 移 ， 销轴孔左侧孔下边最大位移为 1 O ． 2 1 mm。 3 结论 1 对某型号采 煤机导向滑靴进行受力分析， 得到导向滑靴被破坏的主要原因是采煤机截割阻力 和牵引力不在一条直线上 ， 致使导 向滑靴受到严重 的轴 向力 。 2 通 过有 限元 分 析 得 出 ， 导 向 滑 靴 的 最 大 应 力 为 2 0 0 MP a 左 右 ， 为 许 用 应 力 的 7 O ， 满 足 设 计 要求 ； 要减少应力 集 中， 可进一 步改进导 向滑靴 结 构 ， 加 强导 向滑靴强 度 。 3 通 过疲 劳 分 析 得 出 ， 导 向 滑 靴 最 薄 弱 的 部 位位于导向滑靴销轴孔下边 ， 与实际情况基本吻合 。 4 对该导 向滑靴进行模态分析 ， 得到导向滑 靴第 1 5阶的模态频率依次增大 ； 导 向滑靴在 1 ， 3 ， 4 ， 5阶频率下 ， 两端有弯曲变形趋势 ， 在 2阶频率 下下勾整体有 向后弯曲变形 的趋势 。可以从较弱的 部 分来 加 强导 向滑 靴结 构 的刚性 。 参 考文献 R e f e r e n c e s [1] [2] [3] 张世 洪． 我 国综采 采煤 机技术的创新研究 E J ] ． 煤 炭学 报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 1 1 1 9 8 8 1 9 9 4 ． Z H ANG S h i h o n g ．S t u d y o n t h e i n n o v a t i o n o f f u l l y me c h a n i z e d c o a l s h e a r e r t e c h n o l o g y i n C h i n a[ J ] ． J o u r n a l o f Ch i n a Co a l S o c i e t y，2 0 1 0，3 5 1 1 1 9 88 1 9 94 ． 李 晓豁 ， 李萍 ， 刘 春生．采煤机 在牵 引方 向上的动 力 学行 为研 究[ j - 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