采煤机摇臂壳体瞬态动力学与模态分析.pdf

第 44卷 第 6 期 2018年 6 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 6 Jun. 2018 文章编号 1671-251X201806-0086-04 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017100041 煤机摇臂壳瞬态动学与模态分析 李磊12， 王义亮12 杨兆建12 1.太原理工大学机械工程学院，山 西 太 原 030024; 2.煤矿综采装备山西省重点实验室，山 西 太 原 030024 摘要 为研究瞬时3 载作用下采煤机行走过程中摇臂壳体的力学特性， 结合某型号采煤机实际工况， 对 采煤机摇臂壳体进行了瞬态动力学与模态分析， 结果表明 摇臂壳体上齿轮传动箱与电动机仓相交处和行星 头部与齿轮传动箱相交处应力较大， 均超过摇臂壳体材料的屈服极限， 为摇臂壳体薄弱部位； 前 6 阶模态振 型中振幅最大部位均集中在行星头部。该分析结果可为摇臂壳体的优化设计提供理论依据。 关键词 煤炭开采采煤机摇臂壳体瞬态动力学模态瞬时负载 中图分类号TD421. 6 文献标志码A 网络出版地址 Gttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180523. 1339. 001. html Transient dynamics and modal analysis of rockrr shell of sherrrr LI Lei12, WANG Yiliang1- 2 , YANG Zhaojian12 1. College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Shanxi Key Laboratory of Full Mechanized Coal Mining Equipment, Taiyuan 030024, China Abstract In order to study mechanical characteristics of rocker shell in shearer walking process under instantaneous load, transient dynamics and modal analysis of rocker shell of shearer were carried out in combination with actual working condition of a certain type shearer. The results show that stress at intersection of gear transmission box and motor box, and intersection of planetary head and gear transmission box on the rocker shell is larger, which exceeds yield limit of rocker shell material, so the two intersections are weak parts of the rocker shell. In the first 6-order modal shape, the maximum amplitude occurs at the planetary head. The analysis results can provide theoretical basis for optimal design of the rocker shell. Key words coal mining； shearer; rocker shell; transient dynamics; modal; instantaneous load 〇 引言 滚筒式采煤机是综采工作面主要生产设备[1]， 其所处工作环境恶劣， 所受载荷复杂多变。摇臂壳 体作为滚筒式采煤机截割部的关键部件， 极易产生 断裂及变形， 严重影响采煤机工作可靠性和生产效 率 。因此， 研究采煤机截割部摇臂壳体力学特性对 提高采煤机可靠性具有重要意义。文献[2]通过建 立采煤机截割部刚柔耦合动力学模型， 分析了摇臂 壳体在交变载荷作用下的动力学响应， 但未考虑实 际工况下滚筒瞬时负载对摇臂壳体的作用。文献 [3]利用虚拟样机技术， 分析了采煤机摇臂在调高过 收稿日期2017-10-20 ;修回日期 2018-05-19 ;责任编辑 盛男。 基金项目 山西省煤机重点科技攻关项目（ MJ2014-05-02;山西省研究生联合培养基地人才培养项目（ 2016JD14。 作者简介李磊（ 1 9 8 8 -， 男 ， 山西娄烦人， 硕士研究生， 研究方向为现代设计理论与方法， E-mail llstones126. com。通信作者 王义亮 1 9 6 9 -， 男 ， 山西静乐人， 教授， 博士， 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及控制 等 ， E-mail wangyiliangwyl 163. com。 引用格式李磊， 王义亮， 杨兆建. 采煤机摇臂壳体瞬态动力学与模态分析[J].工矿自动化， 2018， 446 86-89. LI Lei， WANG Yiliang， YANG Zhaojian. Transient dynamics and modal analysis of rocker shell of shearerCJ]. Industry and Mine Automation， 2018,446 86-89. 2 0 1 8 年 第 6 期李 磊 等 采 煤 机 摇 臂 壳 体 瞬 态 动 力 学 与 模 态 分 析 87 程中的动力学响应， 但未考虑采煤机行走过程中摇 臂壳体的动力学 。 结合 采煤机实际 工况， 对采煤机 摇臂壳体 瞬态动力 学与模态分析， 可为采煤机摇臂壳体 化设计提 供理论 。 1采煤机滚筒瞬时负载采集 采煤机工作时， 滚筒瞬时负载作用于摇臂壳体， 工 筒瞬 [ 4。因此， 在 LS-D YN A 中建 筒 煤 模型， 模 筒截割煤 工况[ 5 6]。 筒整体受力 ， 而不进行应力 ； 分析， 筒材料模型选择刚体， 滚筒几何参数见 表 1。选择能较准确模拟煤岩力学 193号材 料 ， 煤岩材料参数见表2。定义滚筒与煤岩的接触 为侵蚀接触， 设置滚筒转速为26. 41 r/min、 牵 引速度为15. 6 m/min， 对煤岩进行全约束， 之后在 LS-D YN ASolver中进行求解。从求解结果中提 取滚筒瞬时负载， 可等效为作 筒质心的三向 力及三向力矩， 分别如图1、 图 2 所示。 表1滚筒几何参数 Table 1 Drum geometric parameter 外 径/ m m 截深*m螺旋叶片数 齿总数 3 0008504 64 表2煤 材 料 参 数 Table 2 Coal-rock material parameter 密 度/ kg m -3 弹 模 泊松比 量/Pa 摩擦 角/。） 黏着 力/Pa 膨胀 角/。 1 6003X1090. 360. 520. 5X106 1.6 牵引力 b 截割力 c轴向力 图1滚筒三向力曲线 Fig. 1 Drum three-direction force curve 牵引力矩 b 力 矩 轴向力矩 图2滚筒三向力矩曲线 Fig. 2 Drum three-direction torque curve 2摇臂壳体瞬态动力学分析 AD AM S建立截割部刚体模型， 将模型中 摇臂壳体 体 替 换 为 在 A N SY S中生成 性 体[79]， 添加约束及瞬 ， 进行动力学 。从 结果 取 各零 作 摇臂壳体的 数据， 并保存为 AN SYS可识别 [10]。在 AN SYS中建立摇臂壳体有限元模型， 设置摇臂壳 体材料参数（ 表 3， 将 通 过 ADAM S动 力 学 ； 所 得 数据添加于摇臂壳体上， 设置分析 为瞬 态分析并 [11]。 表3摇臂壳体材料参数 Table 3 Material parameter of rocker shell 屈服强度弹 模 uu 密度/ 限/MPa限/ MPa / MPa m m tu kg m -3 327 516 2. 08X1050. 297 850 在 AN SYS通用后处理软件中提取摇臂壳体等 效应力云图， 如 图 3 所示。可看出在齿轮传动箱与 电动机仓相 、 齿轮传动箱与行星头部相 等 效应力较大， 最大值分别为339,380 MPa， 均大于摇 图3摇臂壳体等效应力云图 Fig. 3 Equivalent stress nephogram of rocker shell 88 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 臂壳体材料的屈服极限。表 明 这 2 处强度不足， 为 摇臂壳体 。 3采煤机摇臂壳体模态分析 利 用 AN SYS的模态分析模块[1214]得到摇臂壳 体在采煤机 约束模态 振型。由 振动 较 模态[15]， 分析前 6 阶模态 振型。 摇臂壳体前6 阶模态频率见 表 4。当作用于摇 臂壳体上的外界激励 近这些模态 ， 会 致摇臂壳体发生共振， 严重时使摇臂壳体发生破 ， 因此摇臂壳体的振动 些模态 。 表4摇臂壳体前6阶模态频率 Table 4 The first 6 order modal frequencies of rocker shell 数 模态 *Hz 数 模 态 频 率/Hz 1 54. 2664阶 210.320 2 80.7305阶246.070 3 153.970 6阶 336.580 摇臂壳体前6 阶模态振型如图4 所示（ X 轴正 方向为采煤机牵引方向， Y 轴正方向 采煤机 牵引方向并指向煤壁， 轴 正 方 向 与 重 力 方 向 相 第 1 第 2 阶模态振 为行星头 I 齿轮传动箱沿Y 轴方向弯曲振动， 最大振幅出现在 星头部上端， 幅 值 为 3. 143 0 mm;第 3 阶模态振 为行星头 齿轮传动箱绕X 轴扭转振动， 最大振幅出现在行星头部侧面， 幅值为4. 136 7 mm; 第 4 阶模态振 为 摇 臂 壳 体 整 体 绕 Z 轴扭 转 振动 ， 振 出现 星头 上 较 ， 为 3. 537 9 mm;第 5 阶模态振 为行星头部 齿 轮 传 动 箱 沿 Z 轴方向 弯 曲 振 动 ， 最大振幅出 现在行星头部下侧， 幅 值 为 2. 060 0 mm;第 6 阶模 态振 为 摇 臂 壳 体 整 体 绕 Z 轴 扭 转 振 动 ， 最 大振幅出现在行星头部上端， 幅 值 为 2. 896 6 mm。 6 阶模态振 ， 振幅S 星 头 。 位移/mm .741 6 位移/mm 2.771 2 2.463 6 2.155 3 1.847 4 1.539 5 1.231 6 0.923 7 0.615 8 0.309 7 位移/mm 4.136 7 3.677 1 3.217 5 2.757 8 2.298 2 1.838 5 1.378 6 0.919 3 0.459 6 a第1阶 位移/mm 3.537 9 3.144 8 2.751 7 2.358 6 1.965 5 1.572 4 1.179 3 0.786 2 0.393 1 b第2阶 位移/mm 2.060 0 1.831 1 1.602 2 1.373 3 1.144 4 0.915 5 0.686 7 0.457 8 0.228 9 第3阶 位移/mm 2.896 6 2.574 8 2.252 9 1.931 1 1.609 2 1.287 4 0.965 5 0.643 7 0.321 8 d第4阶 第5阶 图4摇臂壳体前6阶模态振型 ⑴ 第6阶 4结论 Fig. 4The first 6 order modal shape of rocker shell 头部， 可对该处进行优化来加强摇臂壳体强度。 1利 用 LS- D YN A对滚筒截割煤岩进行仿 真 ， 提取出滚筒瞬时负载， 解 采煤机摇臂壳体瞬 态动力学 筒瞬 取 。 通 采煤机摇臂壳体 瞬态动力学分 析可知， 摇臂壳体应力较 置 齿轮传动箱 与电动机仓相 星头部与齿轮传动箱相交 ， 且 这 2 力 摇臂壳体材料的屈服 限， 为摇臂壳体 。 通 采煤机摇臂壳体进行模态分析可 知 ， 前 ，阶模态振 振 星 参 考 文 献 （ References [ 1 ]刘春生.滚筒式采煤机理论设计基础[M ].徐 州 中国 矿业大学出版社，2003 85-90. 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