采煤机截割部传动系统仿真研究(1).pdf

2 0 2 0年第0 2期 采煤机截割部传动系统仿真研究 郭志鹏 同煤集团四台矿综采四队, 山西 大同 0 3 7 0 0 3 摘 要 对采煤机截割部传动系统的工作特征进行分析, 通过几何建模并设置合理的约束条件及驱动、 负载特性, 建立相应的传动系统刚柔耦合仿真模型, 最后利用仿真来模拟采煤机截割部传动系统在采煤作业时的动 态特性, 为传动系统的设计优化提供参考。 关键词 采煤机; 截割部; 传动系统; 动态特性 中图分类号 T D 4 2 1 D O I 1 0. 1 9 7 6 9/j . z d h y . 2 0 2 0. 0 2. 0 4 1 0 引言 采煤机长期在极其恶劣和苛刻的环境下工作, 在滚 筒截齿割煤过程中, 由于煤层岩壁煤质成分的复杂多变, 以及割煤时相互作用力的存在, 截割部会受到各种复杂 的受力冲击, 使得其所受负载波动范围较大且不可控性 强。采煤机截割部的动力传递机构主要为中间的传动系 统, 传动系统均为齿轮传动, 采煤机在采煤过程中, 截割 部受力特征会传递到传递系统中, 传动系统会出现同样 的负载特性, 造成齿轮传动过程出现不可控制的振动情 况。这种情况会严重影响传动系统的正常工作, 甚至使 得传动系统内部的齿轮、 轴、 连接件等零部件出现损坏、 损伤, 并大大缩短其使用寿命[ 1]。传动系统为采煤机截 割部的重要动力传递装置, 零部件组成较多, 装配精度 高, 是整个采煤机组成中最薄弱的环节, 因此, 对采煤机 截割部传动系统的动态特性进行研究非常必要。 1 采煤机截割部传动系统动力学模型 建立该煤机截割部传动系统刚柔耦合仿真模型的总 体设计思路为 在对主体组成结构建立刚体模型时, 考虑 存在柔性变形特征的结构部位, 建立相应的柔性特征模 型[ 2]。本文通过S O L I DWO R K S三维软件建立采煤机截 割部传动系统的几何模型, 将几何模型导入到R e c u r D y n 软件中, 进行一定的优化适应调整, 添加合适的边界约束 及驱动负载, 建立采煤机截割部传动系统刚柔耦合虚拟 样机模型, 对其动态特性进行动力学仿真。 1. 1几何模型建立 采煤机截割部传动系统主要为齿轮传动, 其组成主要 包括直齿齿轮系和行星轮系。所建立模型的总传动比为 2 0 ∶ 1, 传动系统中的直齿齿轮传动部分的传动比为5 ∶ 1, 行星齿轮传动部分的传动比为4∶1。利用S O L I DWO R K S 软件建立传动装置的几何模型, 如图1所示。 1. 2添加约束 为建立的采煤机截割部传动装置模型添加一定的约 束关系, 以模拟传动装置各零部件之间的相互运动关 系[ 3]。对一般传动系统添加相应的约束关系主要包括轴 与轴承之间的相互作用约束关系, 实现齿轮之间相互啮 合的约束关系, 以及轴与端盖之间的相互作用约束关系。 在该传动系统模型添加约束关系时, 由于齿轮组较多, 添加约束关系的种类与位置较多, 操作设置比较烦琐, 故不在此处一一列出。添加约束关系过程中对其中相 同的约束种类进行简化, 保证模型仿真的快捷准确。为 保证模拟传动系统中大量的齿轮传动之间齿轮组间的 啮合而添加的约束, 在模型中导入R c u r d y n软件, 并进 行一定的适应性转化, 软件中自带关于齿轮约束关系的 全部种类, 针对相应齿轮组直接选择添加即可完成其约 束的设 置。图2为 传 动 装 置 添 加 的 部 分 约 束 关 系 示 意图。 图1 传动装置三维几何模型 图2 传动装置约束设置 在进行约束关系添加时, 还要对其相应的接触参数 进行设置, 如表1所示。 001 自动化应用 工矿自动化 收稿日期 2 0 2 0 - 0 1 - 0 8 作者简介 郭志鹏 1 9 9 0 , 男, 本科, 毕业于辽宁工程技术大学, 助理工程师, 研究方向为煤矿机械。 2 0 2 0年第0 2期 表1 传动系统接触参数设置 接触参数系数齿轮啮合对轴与轴承 轴与端盖 接触刚度 1 0 0 0 0 01 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 黏性阻尼 1 0 阻尼 1 0-41 0-4 1. 3 刚柔耦合建模 由于采煤作业的特点决定了采煤机负载的多变性, 对采煤机建模属于典型的刚柔耦合多体系统。根据有限 元柔性体建模方法, 将传动系统中各轴划分网格, 用轴的 网格代替系统中的刚体, 在多体分析时调用R e c u r D y n内 置的有限元程序计算柔性轴的时域响应。 对传动系统进行网格划分, 实体类型选择S o l i d 4, 形 成的网格为四面实体单元, 该单元主要有助于对传动系 统中的柔性部件进行定义。接着对实体模型的材料属性 进行定义, 设置弹性模量为2 0 0 0 0 MP a, 密度为7. 8 5 1 0 -6 k g /mm 3, 阻尼为11 0-5N / mm/s , 剪切模量为7 7 8 2 0 k g /mm 3, 泊松比为0. 2 8 5。通过以上设置, 可以将模 型的刚性轴定义为具有一定特性的柔性轴后, 使其能够 模拟实际柔性变形过程[ 4]。轴与齿轮配合部分需对其进 行重新设置, 该接触区域重新定义材料属性与实体单元 类型, 以保持其刚性体特征。如图3所示为传动系统中 齿轮轴3网格的划分图形。 图3 轴有限元网格模型 2 施加驱动和负载 2. 1 定义驱动 对传动系统添加合适的驱动, 作为动力源, 是保证动 态仿真模拟的关键。由于建立相应电动机模型比较困 难, 同时增加了仿真的复杂程度, 因此进行一定的简化处 理, 通过在输入轮设置一定的转速, 输入轮组的内齿圈上 添加相应的旋转副, 再输入相应的函数参数设置, 即完成 传动系统的驱动设置[ 5]。此处对该传动系统模型设置电 机驱动表达式的函数为位移 时间 函数, 采用阶跃函数 s t e p0,0,5,4 1 1 0 0 0 d , 即在05 s时间内驱动旋转的 位移为4 1 1 0 0 0 d。 2. 2 定义负载 采煤机在工作采煤作业时, 要同时完成落煤和装煤 的作业任务。滚筒在旋转割煤、 落煤过程中, 一定会受到 来自煤层岩壁的阻力。在采煤过程中, 由于煤层厚度、 煤 层倾角的不同, 以及煤质和煤层储存条件的多变, 导致滚 筒工作时会受到不均匀的载荷。这种不均匀的载荷形成 的负载特性具有时变性、 非线性等特点。传动系统所受 负载均由滚筒传递而来, 其负载特性与滚筒所受负载特 性基本一样。因此, 通过分析采煤机滚筒截齿的负载特 性, 对传动系统模型的负载进行设置。采煤机滚筒在采 煤作业过程中的主要负载主要是由三个方向的分力同时 组成的, 分别为截割阻力、 牵引阻力和侧向阻力[ 6]。图4 为电机驱动05 s时间内通过实验测量的方法测得的滚 筒受到的力矩随时间变化的曲线。通过M a t l a b软件将 实测的力矩时间函数生成相应的负载文本, 将该负载文 本导入R e u r D y n中, 转化为该软件可识别的样条函数, 并 通过软件中R o t a t i o n a l A x i a l以力矩的形式, 将负载定义 到相应的齿轮组上。 图4 滚筒力矩曲线图 3 仿真结果分析 在完成相应刚柔耦合模型的建立后, 在软件中选择 动力学/运动学分析一项, 输入相应的仿真时长为5 s, 动 画步长设置为6 0 0步。通过软件后处理器生成相应的结 果文件。图5为该模型仿真结果中一对齿轮组在相应时 间及一定负载情况下啮合力变化曲线图。 图5 齿轮啮合力曲线图 通过所得的受力曲线图分析, 建立的刚柔耦合模型 与纯粹的刚性传动模型相比较而言, 在仿真结果中就齿 轮啮合力曲线, 刚柔耦合模型的曲线波动幅度更大一些。 由此可知, 通过在模型中对相应传动轴添加柔性特征建 立的刚柔耦合传动系统模型, 再结合仿真所得齿轮啮合 受力分 析 结 果, 所 形 成 的 负 载 特 性 更 加 随 机, 其 冲 击 更大。 4 结论 根据整体的建模及仿真, 可得出如下结论 建立采煤 下转第1 0 4页 101 工矿自动化 自动化应用 2 0 2 0年第0 2期 可用该公式确定观察窗的最顶部数据。 由上述计算可知观察窗开孔的最小高度为 H孔m i nH台孔m a x-H台孔m i n 上述公式可以推广应用到任意一台带平台的断路器 确定观察窗开孔的高度上[ 1]。 其中H针地m i n为指针距离地面的最小高度; H台地为 平台距离地面的高度; L台孔为平台边缘距离观察孔的水 平距离; L针孔为指针距离观察孔的水平距离;H针地m a x为 指针距离地面的最大高度;H眼地为眼睛距离地面的高度; L针孔为指针距离观察孔的水平距离;L台孔为平台边缘距 离观察孔的水平距离; L眼台为眼睛距离平台边缘的水平 距离;H台孔m a x为孔距离平台的最大高度; H眼孔m a x为眼睛 距离观察孔的最大高度;L眼台为眼睛距离平台的高度; H台地为平台距离地面的高度;H孔m i n为观察孔开孔的最 小高度; 由推广应用的公式可知, 只要实地测量现场设备 获得相关数据, 并确定眼睛的高度和位置后, 我们便能够 快速地计算出观察窗的开孔高度。 3 实作验证 通过实地测量该设备的现场参数如图3所示, 并搜 索得知中国男性、 女性平均身高为1 6 1. 4 5 c m, 因以观测 为目的, 身高仅取脚底至人眼高度, 约为1 5 1. 5 c m。计算 过程如下 实际计算 根据之前的计算公式实测数据, 计算如下 H台孔m i nL台孔t a nαL台孔 H针地m i n-H台地 L台孔L针孔 5 32 8 5. 1-1 6 4 5 32 0 6 8 7. 2 c m H台孔m a xH眼孔m a x-H台眼 L台孔L眼台t a n β-H台地-H眼地 3 4 3. 55 3 2 9 6. 1-1 5 1. 5 3 4 3. 55 32 0. 6 -1 6 4-1 5 1. 5 1 2 5 c m 由此可知观察窗开孔的最小高度为H孔m i nH台孔m a x -H台孔m i n1 2 5-8 7. 23 7. 8 c m 通过计算, 可得出观察窗最小高度为3 7. 8 c m, 观察 窗底部距机构箱底部9. 1 c m, 观察窗高度可在此基础上 适当延伸以扩大适用范围。根据计算结果, 现场实作尺 寸及效果如图4所示。 图4 带平台断路器观察窗改造后的效果图 观察窗改造后, 通过模拟检查我们可以看到, 开展类 似于5 0 0 k V断路器这样的带平台设备高处柜内仪表信 息的检查已经实现了地面可视化, 我们在获取柜内仪表 的信息时已无须再登上平台进行查看, 这一方面有效缩 减了巡视检查的时间; 另一方面又消除了作业过程中运 行人员存在的坠落、 摔绊风险。 4 结语 本文旨在通过原理推导、 实作验算的方式得出能够 通用于带平台设备高处柜内观察窗改造的公式, 从而为 带平台设备高处柜内观察窗的设计和改造提供理论和技 术支持, 进而实现带平台设备高处柜内仪表信息地面可 视化的目标, 达到缩短运行人员巡视检查时间和消除运 行人员在对带平台设备巡视维护过程中坠落、 摔绊风险 的问题, 使得设备运维做到风险可控、 效率提升。 参考文献 [ 1] 弋东方, 钟 大 文.电 力 工 程 电 气 设 计 手 册 第 一 册 [M].北京 中国电力出版社, 1 9 8 9. 上接第1 0 1页 机截割部传动系统刚柔耦合动力学模型, 能够更加准确 地计算模拟出传动系统中齿轮传动过程的啮合力变化情 况, 对于传动系统的设计计算具有一定的指导意义, 同时 也为采煤机截割部传动系统动力学仿真提供新的思路。 参考文献 [ 1] 郭会珍.滚筒式采煤机截割部动力学特性研究[D].徐州 中国矿业大学, 2 0 1 4. [ 2] 毛君, 刘晓宁, 陈洪月, 等.采煤机截割部传动系统刚柔耦 合动 力 学 仿 真 分 析 [J].机 械 强 度,2 0 1 7,3 9 5 1 1 3 8 - 1 1 4 4. [ 3] 付新.采煤机截割部动态特性研究[D].阜新 辽宁工程技 术大学, 2 0 1 3. [ 4] 杨 勇.大 采 高 采 煤 机 截 割 部 传 动 系 统 动 态 特 性 研 究 [D].阜新 辽宁工程技术大学, 2 0 1 4. [ 5] 毛君, 张瑜, 张坤, 等.采煤机截割部传动系统的非线性动 力学建模及仿真[ J].中国机械工程,2 0 1 7,2 81 2 7 - 3 4. [ 6] 刘长钊, 秦大同, 廖映华.采煤机截割部机电传动系统动 力学特性分析[ J].机械工程学报,2 0 1 6,5 27 1 4 - 2 2. 401 自动化应用 电力自动化