采煤机行走机构动态有限元分析.pdf

第3 3 卷第0 2 期 2 0 1 2 年0 2 月 V 0 1 ．3 3 N o ．0 2 F e b ．2 0 1 2 采煤机行走机构动态有限元分析 周万春，刘中海。佟海龙，金全。陈玉博 三一重型装备有限公司，沈阳1 1 0 0 2 7 摘要基于接触动力学有限元理论。运用L S D Y N A 模块参数化方法，对采煤机行走轮与销 排啮合进行非线性动态接触分析，并进行模拟分析对比。得出整个啮合过程应力、应变及由啮合冲 击引起的相关动态特性。模拟结果与实际情况相吻合。此方法可用以指导产品实际设计。 关键词行走机构；参数化；有限元分析；动态接触分析 中图分类号T D 4 2 1 ．6文献标志码A文章编号1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 1 2 0 2 0 0 9 3 0 2 D y n a m i cF i m ‘t eE l e m e n tA n a l y s i so fS h e a r e r ’SR u n n i n gG e a r Z H O UW a n - c h u n , L I UZ h o n g - h a i ，T O N GH a i - l o n g ，J I NQ u a n , C H E NY u - b o S a n yH e a v yE q u i p m e n tC o ．，L t d ．，S h e n y a n g11 0 0 2 7 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nc o n t a c tk i n e t i c sf i n i t ee l e m e n tt h e o r y ，t h ed e v e l o p m e n to fr o a dw h e e la n dp i n m e s h ’Sn o n l i n e a rd y n a m i cc o n t a c tw a sa n a l y z e di np a r a m e t r i cm e t h o do fL S - D Y N Am o d u l e ，a n dc a n c a r r yo u tc o n t r a s to fs i m u l a t i o na n a l y s i s ，a c h i e v es t r e s s ，s t r a i na n dd y n a m i ci d e n t i t i e st h a tc a u s e db y m e s h i n gi m p a c ti nt h ew h o l em e s h i n gp r o c e s s ．T h er e s u l t so fs i m u l a t i o na r ea c c o r dw i t ht h ep r a c t i c e ． T h em e t h o do fa n a l y s i sc a l lb eu s e dt oi n s t r u c tt h ed e s i g no fp r o d u c tp r a c t i c e ． K e yw o r d s r u n n i n gg e a r ；p a r a m e t r i c ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；d y n a m i cc o n t a c t 0 前言计算规模基本为线性增长。 为提高综采工作面生产能力，实现综合机械化常用显示有限元分析程序循环求解 采煤的高产高效和保证安全，必须对综采设备零部 1 对时间中心差分； 件的刚性和结构进行合理的设计。煤矿用采煤机的 2 计算单元应变增量； 可靠性直接影响到整个综采工作面的正常生产和 3 计算应力； 整个矿井的年产量，其中行走机构是采煤机的移动 4 返回到 1 程序。 推行机构．其一旦出现问题将导致整个采煤机停止本文接触非线性动力学分析采用罚函数的数 运行。而行走轮为采煤机行走机构中重要零件之值计算方法，即显示有限元分析程序，确保分析的 一。其损坏与失效的情况在井下时有发生，因此，对准确性。 行走轮与刮板机销排啮合的强度分析显得尤为重1 ．3 动态接触非线性有限元分析模块 要。根据行走轮与销排实际啮合情况，通过动态接 1接触动力学有限元分析触分析。得到行走轮应力、应变及相关速度变化等 1 ．1 接触非线性动力学 动态特性。其优点主要体现如下 接触体有限元数值计算方法将两接触物体分 1 参数化定义前处理； 开建立有限元模型。通过位移协调条件与动量方程 2 根据实际啮合情况，确保力的加载、传导与 求解接触载荷。目前L S D Y N A 处理接触问题的数实际相符； 值计算方法主要有罚函数、动态约束、分配参数3 3 定义接触对，载荷传导与实际相符； 种方法。其中罚函数方法是在接触界面上通过定义 4 可有效模拟啮合全过程，方便后处理查看； 接触单元来获得接触刚度，用接触刚度与接触位移 5 固化整个计算流程。 的乘积来计算接触力．它的物理意义相当于在从节 1 ．4 流程开发 点和被穿透表面之间放置一个弹簧，以限制从节点 1 建模在L S D Y N A 中建立精确的参数化 对主表面的穿透。行走轮与销排齿轮啮合模型； 1 ．2 常用显示有限元分析程序 2 前处理定义在L S D Y N A 中规范行走轮 常用显示有限元分析程序与常用隐式有限元与销排齿轮啮合接触分析流程。参数化定义材料属 分析程序相比，无需对刚度矩阵求逆，只需对质量性、网格划分、定义接触与接触参数设定、定义边界 矩阵求逆，而质量矩阵往往可以简化为对角阵；时条件、定义求解设置等； 间步长很小，不存在迭代不收敛的问题，计算量随 3 用户界面开发在L S D Y N A 中利用U I D L 一9 3 一 械唧 机№P矿№煤蹦C 万方数据 塑盟 丝墨燮垫笪垂垫盟塑奎查堕重坌堑二旦互查 篓箜堑鲞整 塑 进行界面开发。方便上述参数化操作与后处理结果 查看。可以方便地查询齿轮啮合应力、应变的动态 变化过程．指定节点的应力、应变、位移、速度、加速 度等变化曲线及值，也可将分析结果动画保存。如 图1 、图2 所示。 图1啮台等效应力动态变化圈 圈2 行走轮齿根应力曲线 2 动态有限元模拟与结果分析 本文针对国内某知名矿井采矿使用的M G 5 0 0 ， 1 1 8 0 一W D 采煤机在工业性试验初期行走轮轮齿断 裂情况。借助本有限元分析模块，对该采煤机的行 走轮与销排在正常节距1 2 6 一与小节距1 1 5m m 啮合情况进行了静态与动态接触分析。分析结果见 表l 与图3 。 寰1 静态分析结果 啮合齿根最大压齿根最大拉接越应力 情况应力，M P a应力脚P 丑棚P a 正常节距11 7 4 ．8l0 3 3 ．42 4 5 5 小节距l6 4 8 ．9l2 0 5 7 25 7 4 应力提高百分比，％4 0 ．3 51 6 ．6 7 4 ．8 5 l l I l - 雹 ／ ／l 脚删呦 0I23456 789 销排齿序号 图3 动镰分析结果 I ．齿根压应力z 齿根拉应力 行走轮与销排啮合如图4 所示．当销排存在制 造误差、两节中部槽转角过大、活动销排不能自动 补偿等因素便形成l1 5m m 小节距． 影诒 乙∑ 圈4 行走轮与销排啮合 综合以上分析．行走轮在小节距啮合时齿根弯 曲应力比正常节距啮合时大4 0 ％左右．当采煤机高 速截割煤时截割阻力增大．在交变载荷的作用下会 带来齿根安全系数大幅度降低。导致齿根断裂。分 析结果与实际断裂形式相符．验证了分析的准确 性。如图5 所示。 ⋯⋯ 豳5 实际断裂与分析结果 1 、2 ．断裂处 3 结语 本文应用显式动力分析有限元软件坞D Y N A ． 采取参数化方法对采煤机行走机构行走轮与销排 啮合动态接触有限元分析。得到以下结论 1 动态接触分析能更准确地对整个啮合过程 进行模拟，得出随时间变化的应力、应变及相关动 态特性，分析结果更全面、直观、参考价值更高； 2 本文模拟分析结果与实际断裂点和断裂形 式相吻合．验证了该分析模块的准确性．可应用此 方法进行具体产品设计 3 为避免行走轮特定齿受循环交变载荷及由 于过小的小节距引起的行走轮齿根应力过大．需在 采煤机与刮板机配套设计中．尽量使行走轮为奇数 齿和中部槽之间的销排有活动间隙。 参考文献 [ 1 】刘拇富．栗煤机械设备安全运行及事故预防措旌[ J ] ．煤矿机械， 2 0 0 9 ，3 0 1 l 略1 9 4 ． [ 2 ] 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[ 盯． 黑龙江科技学院学报。2 0 0 2 , 1 2 4 1 - - 4 ． [ 3 ] 贾悦谦．综采技术手册【K ] ．北京煤炭工业出版社．2 0 0 1 ． [ 4 ] 包采汉，张玉华，薛家国．基于A N S Y S 的齿轮参数化建模及其应 用[ J ] ．安徽工业大学学报，2 0 0 5 I 3 5 3 8 ． 作者筒介周万春 1 9 6 7 一 ．期南娄底人。工商管理硬士．总经 理，主要从事煤矿采掘机械设计项目管理，电话0 2 4 - 3 1 8 0 8 4 2 9 ，电 子信箱曲w 蚰c 咖l t 咖．c n ． 责任鳙辑于秀文收稿日期2 0 1 1 - 0 9 1 5 9 4 万方数据