采煤机中部槽极限工况下强度非线性分析.pdf

第４４卷第３期２０１４年５月东南大学学报（自然科学版）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．３Ｍａｙ２０１４ｄｏｉ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０１４．０３．０１５采煤机中部槽极限工况下强度非线性分析廖昕张建润冯涛李普（东南大学机械工程学院，南京２１１１８９）摘要为了改善中部槽容易破损、成本高等问题，对某型号中部槽哑铃销进行非线性有限元法建模，并采用接触的方法分析采煤机在不同极限工况下的非线性运动．通过对比非线性接触变化和力学特性，研究哑铃销与中部槽各自发生高度塑性变形时产生的相互作用．数值仿真结果表明，哑铃销与槽体弧形侧接触部位受到的应力过大，中部槽弧形侧塑性形变量严重．以此建立优化目标，对哑铃销与中部槽的结构尺寸进行数值优化匹配．结果表明哑铃销轴中段部位半径减小２  ０ｍｍ且槽帮弧形处厚度增加３０ｍｍ能够有效改善塑性失效行为；哑铃销发生断裂能够对中部槽起到同步保护的作用．关键词哑铃销；中部槽；非线性运动；塑性变形；接触分析中图分类号ＴＨ２２７文献标志码Ａ文章编号１００１－０５０５（２０１４）０３  ０５３１  ０７ＩｎｔｅｎｓｉｔｙｎｏｎｌｉｎｅａｒａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｅｎｔｒａｌｇｒｏｏｖｅｏｆｃｏａｌｓｈｅａｒｅｒｕｎｄｅｒｌｉｍｉｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓＬｉａｏＸｉｎＺｈａｎｇＪｉａｎｒｕｎＦｅｎｇＴａｏＬｉＰｕ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１８９，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｏａｖｏｉｄｂｒｅａｋａｇｅａｎｄｒｅｄｕｃｅｃｏｓｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｏｎ  ｌｉｎｅａｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｆｏｒｓｏｍｅｋｉｎｄｏｆｃｅｎｔｒａｌｇｒｏｏｖｅ  ｄｕｍｂｂｅｌｌｐｉｎｉｓｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅｎｏｎ  ｌｉｎｅａｒｍｏｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｃｏａｌｓｈｅａｒｅｒｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒ  ｅｎｔｌｉｍｉｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｃｏｎｔａｃｔａｐｐｒｏａｃｈ．Ｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈｐｌａｓｔｉｃｄｅ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｄｕｍｂｂｅｌｌｐｉｎｓａｎｄｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｇｒｏｏｖｅｓａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｎｏｎ  ｌｉｎｅａｒｃｏｎｔａｃｔｖａｒｉｅｔｉｅｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｔｒｅｓｓｅｓａｔｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｒｅｇｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｕｍｂｂｅｌｌｐｉｎｓａｎｄｔｈｅｇｒｏｏｖｅｃｕｒｖｅｄｗａｌｌｓａｒｅｅｘｃｅｓｓｉｖｅ，ａｎｄｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓａｔｔｈｅｇｒｏｏｖｅｃｕｒｖｅｄｗａｌｌｓａｒｅｓｅｖｅｒｅ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｂｊｅｃｔｉｖｅｉｓｅｓ  ｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｚｅｓｏｆｔｈｅｄｕｍｂｂｅｌｌｐｉｎｓａｎｄｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｇｒｏｏｖｅｓａｒｅｍａｔｃｈｅｄｂｙｎｕｍｅｒ  ｉｃａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｆａｉｌｕｒｅｂｅｈａｖｉｏｒｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｂｙｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｒａｄｉｕｓｏｆｔｈｅｄｕｍｂｂｅｌｌｐｉｎｓｈａｆｔｍｉｄｄｌｅｓｅｃｔｉｏｎｂｙ２  ０ｍｍａｎｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｇｒｏｏｖｅｃｕｒｖｅｄｗａｌｌｂｙ３０ｍｍ．Ｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｇｒｏｏｖｅｃａｎｂｅｐｒｏｔｅｃｔｅｄｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙｗｈｅｎｔｈｅｄｕｍｂｂｅｌｌｐｉｎｉｓｂｒｏｋｅｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｄｕｍｂｂｅｌｌｐｉｎ；ｃｅｎｔｒａｌｇｒｏｏｖｅ；ｎｏｎ  ｌｉｎｅａｒｍｏｔｉｏｎ；ｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｃｏｎｔａｃｔａｎａｌｙｓｉｓ收稿日期２０１３  １１  ２８．作者简介廖昕（１９８７），女，博士生；张建润（联系人），男，博士，教授，博士生导师，ｚｈａｎｇｊｒ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．基金项目国家科技重大专项资金资助项目（２０１３ＺＸ０４０１２０３２）、江苏省科技成果转化专项资金资助项目（ＢＡ２００８０７４）．引用本文廖昕，张建润，冯涛，等．采煤机中部槽极限工况下强度非线性分析［Ｊ］．东南大学学报自然科学版，２０１４，４４（３）５３１５３７．［ｄｏｉ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０１４．０３．０１５］在大型工程机械的现代应用领域范围内，采煤机属于一种专用机械．它在作业过程中会不断发生磨损、破裂，甚至需要更换，使得企业成本逐步增加．采煤机中部槽是采煤机械的重要组成部分，与哑铃销和液压缸等其他各部件紧密连接，并在运动过程中起到承载和输送煤的作用．中部槽承受采煤机的牵引力、切割反力、重力及液压支架的推架力和拉架力［１３］，使用寿命较短，成为企业技术瓶颈．目前，国内外学者主要针对中部槽的各项参数尺寸设计［４６］和联接结构进行了相关研究，例如从ｈｔｔｐ／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ弯曲角度进行结构设计计算，达到减小磨损的目的，但中部槽结构设计与分析仅局限于传统的结构优化计算，大多是以单个部件为单元进行优化设计的，对哑铃销和中部槽的整机动力学分析较少．文献［７］介绍了一种中部槽的耐磨处理方法，从制作工艺、疲劳寿命的角度分别对其进行测试分析及改进，但没有考虑实际工况中多体运动之间的相互作用关系．目前，鲜有文献对哑铃销运动与槽帮发生塑性变形之间的相互影响和哑铃销断裂的时间点进行深入研究．因此，需要建立准确的仿真模型以分析中部槽哑铃销非线性接触产生的高强度变形及动力学特性，为结构优化设计提供依据．在煤层进给过程中，每个中部槽是在液压缸作用下通过哑铃销相互链接向前运动的，因此中部槽与哑铃销的接触部位在运动过程中极易损坏，并且在拉压过程中发生塑性高度变形．为防止中部槽损坏，实际工况下哑铃销应先于中部槽发生破损或者断裂，且哑铃销成本相对比较低，损坏后方便更换．本文对采煤机３种恶劣工况下的中部槽哑铃销进行了建模，分析其非线性变化及塑性失效行为本质．结合动力学特性，基于非线性接触面大变形的仿真结果，对中部槽进行结构改进，达到延长其使用寿命的目的．１中部槽哑铃销的仿真模拟１  １中部槽哑铃销非线性接触模型中部槽哑铃销的三维模型如图１所示．中部槽前后分别安装有哑铃销．采煤机实际作业时，整条工作链由多个中部槽通过哑铃销相互链接而成，哑铃销起着至关重要的作用．中部槽表面安装有由链条组成的刮板滑行装置及采煤机等装置，每完成一次采煤后，中部槽在与液压架连接的液压缸作用下完成采煤层进给动作．图１中部槽哑铃销三维模型图中部槽和哑铃销之间的接触关系体现为几何、材料、状态的非线性，这些不断变化的非线性因素需要在求解过程中确定．本文采用显示非线性动态分析方法建立中部槽和哑铃销之间的力学模型，以求解其变形及强度关系［８１１］，从而模拟接触条件．哑铃销和中部槽在液压缸的匀速推移中逐渐发生碰触，但是多个中部槽组成的链接结构在运动中不处于同一个轴线上，力矩不平衡，可能会导致分析结果不收敛．因此，在仿真模拟过程中需要将中部槽平均分割为前后２个部分，采用边界条件极限状态分别对中部槽上下连接板横截面进行全约束，使中部槽在不同力的拉压过程中均承受最大力，即在最坏情况下分析哑铃销和中部槽从开始接触到发生高强度塑性变形的特性．对于非线性接触问题，在细化网格时需对导入模型进行多体分割处理，以提高模拟的准确性，分割后的模块大部分采用六面体单元，接触部位进行加密处理．前后中部槽哑铃销装配有限元模型网格划分如图２所示．（ａ）前端槽帮哑铃销（ｂ）后端槽帮哑铃销图２中部槽哑铃销装配有限元模型网格划分１  ２接触材料属性下面计算不同工况下中部槽和哑铃销的非线性运动模型．２种材料的弹性模量均为２１０ＧＰａ，泊松比为０  ３．采用的槽间连接哑铃销材料为４０ＣｒＮｉＭｏ，抗拉强度为９８０ＭＰａ，屈服强度为８３５ＭＰａ，热处理后达到１３１１～１５６７ＭＰａ（破断力为４５００ｋＮ，半径为６１ｍｍ）；槽帮材料为ＺＧ３０ＭｎＭｏ，拉伸强度为８８０～１０５０ＭＰａ，屈服强度为７５０ＭＰａ，调质后硬度达到２５０～３００ＨＢＳ．哑铃销材料的应力应变曲线如图３所示．图３４０ＣｒＮｉＭｏ材料的应力应变曲线２３５东南大学学报（自然科学版）第４４卷ｈｔｔｐ／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ１  ３接触关系及数值分析方法在接触分析中，定义２个结构之间的接触关系时应首先创建表面，进而在可能发生接触的表面之间赋予一种接触属性．当采煤机处于工作状态时，哑铃销在力的作用下首先发生位移改变，逐步与槽帮发生非线性接触．通过多次模拟实验可确定哑铃销和中部槽会发生接触的具体表面，分别定义哑铃销后弧形面和与后弧形面连接的轴面为主控表面，槽帮棱角处各表面为从属表面．接触对表面不可能绝对光滑，主从面间切向摩擦系数为０  ２，存在有限滑移，因此在外载荷作用下中部槽和哑铃销之间存在着变形约束与力的相互作用，从高度变形角度来看，两者的位移变形量相互制约．本文计算时采用以有限元为基础的接触约束数值方法罚函数法，它将有约束最优化问题转化为求解无约束最优化问题，该罚值相当于接触面上的接触应力．结合虚功方程［１２１３］推导得到中部槽和哑铃销的接触有限元方程为 δ ｋ＝Ｆ＋Ｑ（１）式中，ｋ为系统刚度矩阵；Ｆ为载荷向量；Ｑ为接触力向量； δ 为单元节点位移．接触界面经离散化处理后，结合接触边界定解条件［１３１４］，得到摩擦滑动接触状态下罚函数有限元方程为Ｑｃｋ＝－Ｋｃａｋｕｃｋ＋珟Ｑｃｋ（２）式中，Ｋｃａ＝ＮＴｃ（ αｆｓｅｉ）ｅＴ３Ｎｃ，其中Ｎｃ＝Ｉ－Ｎｉ [] Ｉ，Ｎｉ为二维四节点单元差值函数， αｆｓ为罚参数转化矩阵；ｅｉ为总体坐标系的ｘ，ｙ，ｚ分量（ｉ＝１，２，３）；珟Ｑｃ＝δｎＮＴｃ（ αｆｓｅｉ），其中 δｎ为接触间隙；ｕｃ为位移向量；下标ｋ指第ｋ个接触点．根据式（２）对所有接触点对集成，得到等效节点接触力向量Ｑｃ＝－Ｋｃａｕｃ＋珟Ｑｃ，并代入式（１）中，可得 δ （Ｋ＋Ｋｃａ）＝Ｆ＋珟Ｑｃ（３）对式（３）进行迭代计算，可模拟哑铃销和槽帮的非线性接触状态．１  ４力学加载模型当采煤机处于工作状态时，每个中部槽均在液压缸的作用下完成采煤层进给动作，并且相互之间通过哑铃销安装连接形成整条工作链，油缸推移为匀速运动．因此，在分析哑铃销和槽帮之间的接触问题时，需要建立新的力学转化模型，这也是非线性动力分析加载的重要环节．由于中部槽利用液压支架传送动力，哑铃销对中部槽起到保护作用，分别设计以下３种极限工况以分析中部槽和哑铃销之间的非线性动态特性 ① 液压支架前移，最大液压缸拉架力８００ｋＮ作用于中部槽； ② 采煤机整体轴向进给，中部槽受液压缸最大推架力４５５ｋＮ； ③ 哑铃销处于屈服极限（即销发生破坏的临界点）．本文提出的等效力学模型转换见图４．槽体长度ｄ１＝２０５０ｍｍ，槽宽ｄ２＝１１９８ｍｍ，忽略转角１的影响，无论液压缸受拉架力还是推架力，哑铃销均受到拉力的作用．因此，由力矩等效方程Ｆｄ１／２＝Ｔｄ２计算哑铃销受到的拉力，继而可以得到哑铃销截面应力．图４中，Ｆ为液压缸拉架力或者推架力，Ｔ为哑铃销受到的拉力．图４力矩等效示意图３种工况下哑铃销的截面应力值见表１．表１哑铃销截面应力值工况Ｔ／ＫＮＰ／ＭＰａ１６８４  ５２３４  ２６２３８９  ３１３３  ２０３４５００．０１５４０．００注Ｐ为哑铃销截面应力．２计算结果与分析２  １工况１工况１下前哑铃销和槽帮应力分布如图５所示．图中，Ｓ为应力；ｔ为时间步．由图可知，哑铃销最大应力发生在与槽帮接触部位，最大应力为７２６  ８３ＭＰａ，槽帮的最大（终）应力为６２６  ９０ＭＰａ，两者在运动过程中均发生少量塑性变形．哑铃销在剪切力的作用下，逐渐接触到槽帮并发生强烈的挤压，但两者最大应力值均未超出其屈服极限，安全系数分别为１  １５和１  ２０．此外，哑铃销在受力过程中，位移改变量约为５  ０ｍｍ，同时在与槽帮挤压过程中由于槽帮棱角质量不均匀，导致哑铃销后端半圆与槽帮棱角首先接触，并在随后发生少量扭转，扭转力主要集中在右侧端部．哑铃销最大拉伸变形量约为０  ６ｍｍ，与槽帮棱角后侧接触部位发生凹陷，最大形变量约为２  ２ｍｍ．在边界极端的条件下，槽帮在受力过程中不发生移动，但其挤压变形主要发生在凸端与哑铃销接触的棱角部位，变形３３５第３期廖昕，等采煤机中部槽极限工况下强度非线性分析ｈｔｔｐ／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ（ａ）哑铃销（ｔ＝０．８）（ｂ）槽帮（ｔ＝１．０）图５工况１下前哑铃销和槽帮应力分布图最大量约为０  ９１ｍｍ．工况１下后哑铃销和槽帮应力分布如图６所示．由图可知，哑铃销最大应力同样发生在与槽帮接触部位，最大应力为７４２  ３６ＭＰａ，受力反而略大于前哑铃销，但未超出其屈服极限，安全系数为１  １２；槽帮最大（终）应力值和挤压变形最大量分别为４８７  ７０ＭＰａ和０  ６５ｍｍ，安全系数为１  ５４．与图５相比，最大应力明显减小，说明在非线性运动中槽帮的塑性变形量减小，塑性失效的可能性大大降低．这主要是由于在实际工况下前中部槽与哑铃销首先发生接触并逐渐变形到一定程度后，后中部槽才开始与哑铃销接触，两者之间的相互作用力（ａ）哑铃销（ｔ＝１．０）（ｂ）槽帮（ｔ＝１．０）图６工况１下后哑铃销和槽帮应力分布图相对变小．此外，哑铃销在剪切力的作用下产生大量移动，与槽帮接触后同样右侧发生扭转，导致扭转形变量大幅上升，塑性变形最大值约为４  ４ｍｍ，同时弧形侧也发生塑性变形，最大形变量约为６  ０ｍｍ．由此说明，在接触分析过程中槽体弧形侧较哑铃销为薄弱部位．２  ２工况２工况２下前哑铃销和槽帮应力分布如图７所示．由图可知，在推架力的作用下，哑铃销和槽帮的最大应力值与工况１相比明显下降，安全系数得到较大改善，因此在高强度大变形的工作情况下，推架力产生的塑性失效比拉架力低，塑性失效行为更容易控制．另外，哑铃销在受力过程中，位移改变量约为３  ６ｍｍ，右侧最大形变处拉伸变形量约为０  ４ｍｍ，弧形侧凹陷变形约为１  ０ｍｍ，与拉架力相比均有明显下降．这是因为在实际工况中推架力对前中部槽产生间接的推动作用，前槽体肋板数量较多，质量分散均匀，在边界条件极限的状态下，发生大面积塑性变形的可能性降低，塑性变形值也相应减小．同时，表明哑铃销发生非线性接触变形与实际需求的工作状态有关，可以简单地认为这与剪力大小有直接关系．这一结论也可以从槽帮受到的挤压变形量中得到，变形量下降了约１／３．（ａ）哑铃销（ｔ＝０．９）（ｂ）槽帮（ｔ＝０．９５）图７工况２下前哑铃销和槽帮应力分布图工况２下后哑铃销和槽帮应力分布如图８所示．由图可知，哑铃销最大应力值仍比前哑铃销略大，但未超出其屈服极限８３５ＭＰａ，安全系数约为１  １９．槽帮受力明显减小，最大应力为４９３  ２６ＭＰａ，安全系数增大，但与图６的动力学分析数据４３５东南大学学报（自然科学版）第４４卷ｈｔｔｐ／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ基本保持一致，说明后中部槽特有的结构特征导致了哑铃销和中部槽在不同工况下的受力状况基本不发生变化，非线性特征基本相同．另外，在非线性分析中发现哑铃销的移动距离较前哑铃销增大了一倍，左侧拉伸变形量、弧形侧上下部位凹陷形变量增加更多，这种大幅度变形接触发生在哑铃销与槽帮开始接触后的一段时间中，并且接触面之间存在摩擦力，接触面积和压力分布随剪切力变化．但是与工况１中的拉架力相比，每种形变量都下降了约１／２，同时槽帮本身在挤压过程中的形变量约为０  ５１ｍｍ．（ａ）哑铃销（ｔ＝１．０）（ｂ）槽帮（ｔ＝０．８５）图８工况２下后哑铃销和槽帮应力分布图２  ３工况３工况３下前哑铃销和槽帮应力分布见图９．由图可知，哑铃销最大（终）应力为１０４０．００ＭＰａ，槽帮最大（终）应力约为８２３．０８ＭＰａ，均超出各自的屈服极限，截面发生颈缩现象，产生局部高度塑性变形．在非线性接触分析中，尤其是在考虑屈服极限的情况下，根据实际需要应尽力保证哑铃销先于槽帮损坏．由图９（ｃ）和（ｄ）可知，槽帮首先超过屈服强度时应力达到７７０  ２４ＭＰａ，此时哑铃销应力为７９０．９９ＭＰａ，接近屈服强度值，位移变形量约为１３  ６４ｍｍ，虽尚未断裂但哑铃销轴发生大面积塑性变形已被严重拉长，在以后持续的运动中将被迅速拉断．最终哑铃销在整体受力过程中约位移了１３ｍｍ，受到较大拉力拉伸，发生变形约为４９  ６２ｍｍ，明显会拉断哑铃销．同样，槽帮不发生整体位移，最大变形处仍为与哑铃销接触的棱角部位，变（ａ）哑铃销（ｔ＝１．０）（ｂ）槽帮（ｔ＝１．０）（ｃ）哑铃销（ｔ＝０．５）（ｄ）槽帮（ｔ＝０．５）图９工况３下前哑铃销和槽帮应力分布图形量约为４  ０９ｍｍ，远远大于拉压过程中产生的位移形变量．工况３下后哑铃销和槽帮应力分布如图１０所示．由图可知，哑铃销与槽帮均超出各自的屈服极限，发生了局部高度塑性变形，同时凸端哑铃销呈现大角度扭转和弯曲，这主要是因为槽帮棱角与哑铃销的接触面积有限并且质量分布集中于内侧，当剪切力过大时槽帮棱角部位的接触切向力也会变大，应力分布向外扩张．在整个非线性运动过程中哑铃销右侧端面移动了约５０ｍｍ，左侧端面被拉伸６３  ６８ｍｍ，为位移最大处，明显被拉断，槽帮最大形变量约为５  ５６ｍｍ．同样，在屈服极限的情况下，槽５３５第３期廖昕，等采煤机中部槽极限工况下强度非线性分析ｈｔｔｐ／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ帮首先超过屈服强度时应力达到７９４  ４０ＭＰａ，此时哑铃销应力为９５６  ６６ＭＰａ，接近其抗拉强度值，位移变形量明显大于前哑铃销约４４  １ｍｍ．哑铃销轴截面尺寸明显缩小，塑性变形在短时间内迅速增大，此时哑铃销处于即将断裂的边缘，若不及时更换会造成槽帮塑性变形而致破损，因此，在实际工况下需要准确地判断更换时间．如果在槽帮开始发生强烈塑性变形之前使哑铃销发生断裂，就可以准确地判断出更换哑铃销的最佳时间．（ａ）哑铃销（ｔ＝１．０）（ｂ）槽帮（ｔ＝０．９５）（ｃ）哑铃销（ｔ＝０．７）（ｄ）槽帮（ｔ＝０．７）图１０工况３下后哑铃销和槽帮应力分布图３结构改进由以上分析可知，中部槽前后端整体结构和肋板数量均不同，导致前后中部槽承受的最大应力值差异明显，并且凹端槽帮处厚度较薄，哑铃销受到的接触面摩擦作用较小，槽帮承受的反作用力较大，导致槽帮应力集中现象严重．同时，由于哑铃销整体半径较大，在高强度非线性状态下承受较大的扭转力和接触应力，容易发生断裂现象，无法保护中部槽不受损坏．增加中部槽肋板数量或壁厚，导致整体质量增加，较大的惯性力会对采煤机链接运动和动力系统造成困扰．因此，通过优化匹配哑铃销半径和槽帮弧形处厚度，可以最大程度满足设计要求．哑铃销轴和槽帮结构改善如图１１所示，其他结构保持改变．（ａ）哑铃销中段半径减小（ｂ）槽帮弧形处厚度改善图１１哑铃销轴和槽帮结构改善示意图在大型工程设计中，采煤机上安装的哑铃销质量相对较小，并且哑铃销连接中部槽时空间有限，因此本文只考虑哑铃销半径和槽帮弧形处厚度的优化匹配，忽略哑铃销长度、槽帮弧形处弧度的影响．将哑铃销半径减小量分别设为１  ５，２  ０，２  ５ｍｍ，槽帮弧形处厚度增加量分别设为３０，３５，４０ｍｍ，进行数值仿真，以哑铃销对中部槽起到保护作用为优化目标来进行匹配，结果见图１２．图中， Δ 为槽帮弧形处厚度增加量； δ 为哑铃销中段半径减小量．由图可知，当 δ 相同时， Δ越小，则中部槽最图１２工况３下中部槽随哑铃销半径变化受力图６３５东南大学学报（自然科学版）第４４卷ｈｔｔｐ／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ大应力值越大，并且首先超过屈服极限时哑铃销被拉断．由表２～表４可知，在槽帮弧形处厚度不变的情况下，当哑铃销轴中段半径减小量为２ｍｍ时，中部槽受到的应力最小；减小量过大则会导致受力迅速集中，发生快速断裂而无法正常工作．综上所述，将哑铃销中段部位半径减小２  ０ｍｍ、槽帮弧形处厚度增加３０ｍｍ，可使不同工况条件下非线性塑性变形最小，对中部槽的保护作用最佳．表２ Δ＝３０ｍｍ时的受力状况ＭＰａ δ ／ｍｍ工况１工况２前中部槽后中部槽前中部槽后中部槽１  ５５５１  ６４７５  ３５４３  ９４４５  ３２  ０５４９  ７４７１  ８５４２  ６４４３  ２２  ５６１７  ３５１８  ６５５３  ２４５８  ７表３ Δ＝３５ｍｍ时的受力状况ＭＰａ δ ／ｍｍ工况１工况２前中部槽后中部槽前中部槽后中部槽１  ５５４４  ０４７７  ０５４７  ０４４６  ８２  ０５４２  ６４６５  ９５４３  ６４４５  ６２  ５６２６  ４５２０  ５５６２  ０４５９  ４表４ Δ＝４０ｍｍ时的受力状况ＭＰａ δ ／ｍｍ工况１工况２前中部槽后中部槽前中部槽后中部槽１  ５５４１  ８４８５  ６５４９  ２４４９  ２２  ０５４０  ７４８０  ９５４５  ９４４７  １２  ５６３１  ２５２８  ７６２０  ７４６０  ５４结语本文利用非线性有限元法对某型号中部槽哑铃销进行建模，并以显示非线性动态分析的方法求解其动力学模型．通过定义采煤机不同的工况条件并建立新的力学加载转化模型，采用接触分析的方法对中部槽哑铃销在极限情况下发生的非线性运动进行了分析．仿真数据比较结果表明，前后哑铃销和槽帮在拉压过程中均发生塑性大变形，但后端哑铃销非线性变化均大于前哑铃销．由此提出了一种针对中部槽与哑铃销两者之间相互影响的分析方法，并采用两者尺寸优化配比的思路进行了优化设计．结果显示，将哑铃销轴中段部位半径减小２  ０ｍｍ同时将槽帮弧形处厚度增加３０ｍｍ，可使哑铃销对中部槽起到保护作用，并且提高了中部槽强度，有效降低了两者在拉压过程中的最大应力值，最大程度地提高了安全系数．参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］ＺｈａｎｇＤｏｎｇｊｉｎ，ＬｉｕＤｉ，ＺｈａｏＸｉｎｙｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｔａｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｃｏａｌｓｈｅａｒｅｒｖｉｂｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１３，６９４６９７４４９４５２．［２］ＺｈａｎｇＪｕｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｃｏａｌｓｈｅａｒｅｒｓｔａｔｅｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１３，７０６７０８９６３９６７．［３］ＺｈａｉＸｉｎｘｉａｎ，ＳｈａｏＱｉａｎｇ，ＬｉＢａｏｆｕ，ｅｔａｌ．Ｓｈｅａｒｅｒｍｉｎｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｓｏｆｔｔｈｉｎ  ｓｅａｍｗｉｔｈｈａｒｄｒｏｏｆ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＭｉｎ  ｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｘｕｚｈｏｕ，Ｃｈｉｎａ，２００９，６８７５．［４］白晓辉，任中全，刘海燕．刮板输送机中部槽弯曲角度设计计算［Ｊ］．煤矿机械，２０１１，３２（６）２１２２．ＢａｉＸｉａｏｈｕｉ，ＲｅｎＺｈｏｎｇｑｕａｎ，ＬｉｕＨａｉｙａｎ．Ｄｅｓｉｇｎｃａｌ  ｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｒｏｔａｔｅｄａｎｇｌｅｏｆｍｉｄｄｌｅｔｒｏｕｇｈｉｎｓｃｒａｐｅｒｃｏｎ  ｖｅｙｏｒ［Ｊ］．ＣｏａｌＭｉｎｅＭａｃｈｉｎｅｒｙ，２０１１，３２（６）２１２２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［５］郑天刚．综采工作面重型刮板输送机中部槽的设计［Ｊ］．科技信息，２０１０（３）１１０１１１．ＺｈｅｎｇＴｉａｎｇａｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｅｎｔｒａｌｇｒｏｏｖｅｏｆｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｈｅａｖｙｓｃｒａｐｅｒｃｏｎｖｅｙｏｒ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，２０１０（３）１１０１１１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［６］ＥｖｅｎｄｅｎＭＰ，ＥｄｗａｒｄｓＪＳ．Ｃｕｔｔｉｎｇｔｈｅｏｒｙａｎｄｃｏａｌｓｅａｍａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎｄｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｓｈｅａｒｅｒｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．ＭｉｎｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９８５，２（４）２５３２７０．［７］张超军，张志民，王宏洋．刮板输送机中部槽的耐磨处理［Ｊ］．煤矿机械，２００７，２８（６）１０９１１０．ＺｈａｎｇＣｈａｏｊｕｎ，ＺｈａｎｇＺｈｉｍｉｎ，ＷａｎｇＨｏｎｇｙａｎｇ．Ｓｈａｖｅｃｅｎｔｒａｌｓｅｃｔｉｏｎｓｌｏｔｔｒｅａｔｍｅｎｔａｂｌｅｔｏｅｎｄｕｒｅｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｐａｐｅｒ［Ｊ］．ＣｏａｌＭｉｎｅＭａｃｈｉｎｅｒｙ，２００７，２８（６）１０９１１０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［８］ＨｕＴ，ＪａｙｄｅｖＰＤ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｏｆｔ  ｔｉｓｓｕｅｍａｔｅ  ｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＭｅｄｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２００４，３０７８２８３７．［９］ＸｕＤｏｎｇｙａｎｇ，ＬｉａｎｇＬｉａｎｇｊｉｎ，ＪｉａＣｈｕｎｌｉ，ｅｔａｌ．Ｅｘ  ｐｌｏｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａ

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