薄煤层采煤机摇臂壳体的瞬态动力学分析

2008第 6期 总第 187期现代制造技术与装备 我国是以煤炭为主要能源的国家，煤炭储量大且赋存 多样化，其中薄煤层的可采储量约为 60 多亿吨，约占全 国煤炭总储量的 20%。当机械化开采含有硫化铁矿结核 体的薄煤层时，滚筒截齿受力的非线性以及遇到硫化铁 结核时受到的瞬时冲击载荷，很容易破坏采煤机摇臂的 壳体，缩短采煤机的使用寿命甚至无法使用，而在物理样 机上进行有关采煤过程的试验，既困难又有很大风险，而 且代价昂贵。为此，探索相关的理论体系和研究方法，充 分利用有限元分析软件 ANSYS与动力学分析软件ADAMS 各自的优点，通过二者之间的接口在它们之间进行数据 传递，对采煤机摇臂壳体进行瞬态动力学分析，得到应力 变化规律及分布规律，可为采煤机截割部系统的改进设 计提供理论依据，具有重要的应用价值。 1 采煤机滚筒瞬时负载的计算 采煤机在工作过程中，截齿只要截入煤壁，就要受到 截割阻力和牵引阻力，顺序式排列的滚筒截齿还要受到 侧向力，此外还有作用于螺旋叶片上的装煤反力等的多 重作用；而在采煤机切入煤壁的过程中，滚筒还将受到 一个附加的轴向力，如图 1 所示。目前，国内一般采用前 苏联的方法进行滚筒瞬时负载计算。通过采用 MATLAB 的文件操作函数生成滚筒瞬时负载的文本，具体步骤 为：1）用 fopen 函数创建 *. txt 文件，并指定对该文件进行 操作的方式为‘w’；2） 用 fprintf函数将数据按指定格式 写入到 *. txt 文件中；3）用 fclose 函数及时关闭文件，以免 数据丢失。再在机械系统动力学分析软件 ADAMS 中将 该文本数据定义为样条函数，选择 ADAMS/View 中的 File|Import 命令，在出现的对话框中将 File Type 选为 Test Data（*.*），点击 ok 完成负载文本的输入。这样就可以很 方便地实现基于虚拟样机系统的复杂负载的施加问题。 图 2 和图 3 为成功导入 ADAMS 后滚筒质心上瞬时三向 力和力矩曲线。 薄煤层采煤机摇臂壳体的瞬态动力学分析 赵丽娟 1 屈岳雷 1 谢 波 2 （1.辽宁 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 技术大学机械工程学院，阜新 123000; 2. 兖州煤业公司综机管理中心，邹城 273500） 摘 要：以某煤机公司设计的含硫化铁矿结核体的薄煤层采煤机摇臂壳体为研究对象 , 基于 Pro/ ENGINEER 建立了采煤机截割部的三维实体模型，并应用有限元分析软件 ANSYS与多体动力学仿真软件 ADAMS之间的双向接口，实现了考虑柔性体对机械系统动力学行为的影响 ;基于 MATLAB 软件生成了螺旋滚 筒的瞬时负载文件，并将其导入 ADAMS环境下的采煤机截割部刚柔耦合虚拟样机系统中，解决了含硫化铁矿 结核体薄煤层采煤机截割部的输入实现问题 ; 利用 ADAMS的载荷文件对摇臂壳体进行了瞬态动力学分析并 得到了基于精确动力学仿真结果的应力应变结果，发现了采煤机摇壳体设计上存在的问题，并对薄弱环节进行 了优化 ,提高了产品质量 ,研究成果具有重要的理论意义和实用价值。 关键词：摇臂壳体 瞬态动力学 刚柔耦合 虚拟样机 图 1 滚筒单齿受力分析 图 2 导入 ADAMS 后滚筒瞬时三向力曲线 图 3 导入 ADAMS 后滚筒瞬时三向力矩曲线 58 2 摇臂壳体柔性体的建立与截割部动力学仿真 基于 ADAMS的虚拟样机中引入柔性体仿真时关键的 一步是生成模态中性文件。ADAMS中的柔性体有多种获 得形式，可以通过 ADAMS/Auto Flex直接划分，也可以借助 其它有限元软件导入。本项目所用的柔性体通过导入由 ANSYS软件生成的模态中性文件而获得。 首先，通过 PRO/E 建立了摇臂壳体的三维实体模型， 使用基于 PRO/E 和 ANSYS 的接口，将其导入到 ANSYS 中，考虑到分析问题的复杂性 ,保留重要部位的圆角 ,略去 对分析没有影响的倒角、小孔，并选用 solid92 来划分单 元。对复杂结构局部细化了网格，柔性化后的摇臂壳体含 146116 个单元，壳体的材料参数如表 1 所示。 生成摇臂壳体柔性体时需要注意，在柔性体回转中心 （与刚性体联接处）必须有节点存在，此节点在 ADAMS中 将作为外部节点使用，如果在联接处柔性体为空洞，则需 在此处创建一关键点，并对关键点用 mass21 单元进行网 格划分，生成相应的结点。例如，在图 4 调高油缸支撑耳 圆孔的中心位置定义一个节点，将该点指定为外部节点， 这样可以通过该节点来创建摇臂壳体和活塞杆之间的运 动副，外部节点与其周围的柔性体节点使用刚性区域来 定义。单击 ANSYS 主工具栏上的 [Adams connection]— [export to Adams] 后，弹出拾取结点对话框，在图形区选择 建立的外部节点为外连点，就可以生成 ADAMS软件需要 的模态中性文件。ANSYS和 ADAMS联合仿真流程如图5 所示。 选用三维建模软件 PRO/E 建立采煤机截割部实体模 型，并传送到 ADAMS/VIEW中，使用 ANSYS柔性化后的采 煤机摇臂壳体替换 ADAMS中刚性壳体，替换后原刚性壳 体上的运动副会自动转移到柔性体上，替换后采煤机截 割部模型如图 6 所示。采煤机工作过程中，滚筒处于不同 位置时，摇臂的受力状态是不同的。查阅相关资料，当上 摇臂与水平面成最大角度时，采煤机摇臂壳体应力最大 [1]，因此，研究在此工况下的采煤机摇臂壳体的应力变化 规律及分布规律，为采煤机摇臂壳体可靠性研究提供了 理论依据。对采煤机截割部进行动力学仿真后，可得到速 度、加速度、作用力和力矩等数据曲线，图 7、8 为调高油 缸支撑耳处结点的力和力矩曲线。从图 7、8 可以看出在 仿真开始阶段（截割纯煤时）曲线较平稳，但在截割硫化 铁矿结核体时，曲线出现了强烈的振动，在 0.63 秒到达峰 值，且滚筒旋转一转的一个周期内，前半个周期和后半个 周期里力和力矩曲线的振动幅度比较相似。 图 5 ANSYS 和 ADAMS 联合仿真流程图 表 1 壳体材料参数 屈服极 （MPa） 抗拉强度 （MPa） 弹性模量 （MPa） 泊松比 密度（kg/m3） 294～327 510～516 2.08e5 0.29 7860 图 4 柔性化采煤机摇臂壳体模型 Pro/E 与 ANSYS之前的接口 MECHANISM/Pro导入 Pro/Engineer 实体建模软件 MSC.ADAMS 动力学仿真软件 ANSYS 有限元分析软件 利用 Pro/E与 ANSYS 接口导入 利用 ADAMS宏命令输出 ADAMS 软件所需的模态中性文件 图 6 替换后采煤机截割部的三维模型 图 7 调高油缸支撑耳处结点的受力曲线 图 8 调高油缸支撑耳处结点的力矩曲线 自动化与控制 59 2008第 6期 总第 187期现代制造技术与装备 3 采煤机摇臂壳体的瞬态动力学分析 瞬态动力学分析是用于确定承受随时间变化载荷的 结构动力学响应的一种方法。为了精确地计算出滚筒在 截割硫化铁矿结核体过程中采煤机摇臂壳体的应力和应 变情况，通过 ADAMS输出 ANSYS所需要的载荷文件（. lod 文件），文件记录了采煤机截割部仿真过程中摇臂壳体的 运动状态和受到的载荷。选用截割结核体过程中滚筒旋 转半周期的载荷步为瞬态动力学分析的载荷条件，求解 后的结果，以摇臂壳体的应力、应变等值线图来反映。如 图 9- 11 所示，可见，摇臂的头部行星传动部位是壳体变 形最大的区域，整个头部的变形趋势为弯曲。采煤机摇臂 壳体调高油缸支撑耳处应力较大，其中 313733 结点在所 有载荷步中应力始终最大，在时间历程里跟踪该节点的 应力变化。在 0.5～0.606s 采煤机采纯煤的过程中，该结 点的应力趋于稳定，大约在 40MPa 左右，在随后的截割硫 化铁矿结核体的过程中，应力变化剧烈，在 0.63s 到达最 大值 147.397MPa，大于材料的许用应力，该部位的强度设 计不足，将发生弹性破坏。因此，对支撑耳处结构进行了 优化，加大了支撑耳处圆弧半径，并对容易引起应力集中 的区域，做了光滑的过渡。从优化后的等效应力等值线图 （图 12）可以看出，优化后的最大等效应力值明显降低，由 优化前的 147.397MPa 减小到 81.648MPa，小于其许用应 力，可以安全地工作。 4 结论 （1）当采煤机滚筒截割硫化铁矿结核体时，对摇臂壳 体进行了瞬态动力学分析，发现摇臂壳体调高油缸支撑 耳处去强度设计不足，容易发生弹性破坏。 （2）ANSYS与 ADAMS的联合应用，可以很方便的考 虑柔性体部件对机械系统运动学的影响，并得到基于精 确动力学仿真结果的应力应变分析结果，提高了分析精 度。 （3）建立柔性化摇臂壳体的采煤机截割部虚拟样机可 以早期发现设计乃至运行过程中存在的各类问题，低成 本地获得最优方案，提高产品质量和企业的竞争能力，其 研究方法可作为工程上研究同类问题的参考。 参考文献 [1] 罗延忠 . 采煤机摇臂壳体的有限元分析 [J]. 桂航学术研究 , 1998, 3（11）. [2] [前苏]B·3 保晋著 ,王庆康等译．采煤机破煤理论 [M]. 北京 : 煤炭工业出版社 ,1992. [3] 赵丽娟 , 刘杰 . 复杂机电系统的建模与仿真研究 [M]. 沈阳 : 辽宁大学出版社 ,2007. [4] 郑建荣 . ADAMS 虚拟样机技术入门与提高 [M]. 机械工业出 版社 ,2001. （下转第 72页） 图 9 摇臂壳体变形图 图 10 摇臂壳体等效应力图 图 11 应力时间历程曲线图 图 12 优化后摇臂壳体等效应力图 60 2008第 6期 总第 187期现代制造技术与装备 （上接第 60页） [5] 李军 , 邢俊文 , 覃文洁 . ADAMS 实例教程 [M]. 北京理工大学 出版社 ,2002. [6] 尚晓江等 . ANSYS 结构有限元高级分析方法与范例应用 [M]. 中国水利水电出版社 ,2006. Transient Dynamics Analysis on Ranging Arm of Shearer in Thin Coal Seam ZHAO Lijuan1，QU Yuelei1，XIE Bo2 （1.College of Mechanical Engineering, Liaoning Technical Uni- versity, Fuxin 123000, China;2. Machinery Management Center, Yanzhou Coal Mining Company Limited, zoucheng 273500) Abstr act：Taking ranging arm of shearer in containing pyrites and thin coal seam designed by certain coal machinery company as research target , the solid model of shearer's cutting section was established with Pro/ENGINEER, and application the bidirectional interface of finite ele- ment analysis software ANSYS and multi-body dynamics simulation soft- ware ADAMS, the effect considering flexible body to mechanical dy- namics behavior was realized; the transient load files of shearer drum were created by MATLAB and leaded successfully in the coupled rigid-flexible virtual prototype model of shearer's cutting section which was built in ADAMS, the problem of input shearer's cutting section in containing pyrites and thin coal seam was solve; This article made a transient dynamics analysis to the ranging arm of Shearer by using load file coming from Adams and got the precise stress and strain result based on result of precise dynamic simulation, find the imperfection of the ranging arm of Shearer and optimization design of weak part was performed, improving the product quality, the results studied in the the- sis have great academic meanings and value in applications. Key Words：ranging arm of shearer，transient dynamics， rigid-flexible coupling，virtual prototype 室温度一般不许超过 28℃，爆炸品贮藏室温度不许超过 30℃； （2） 危险品应分类隔离贮存，量较大的应隔开房间， 量少的也应用铁板柜或水泥柜分开贮存。腐蚀性物品严 格选用耐腐蚀材料作架子。爆炸性物品可将瓶子存于铺 有干燥黄砂的柜子中。相互接触能引起燃烧爆炸及灭火 方法不同的危险品也应分开存放，决不能混在一起； （3）照明设备应采用隔离、封闭、防爆型。室内严禁烟 火； （4）经常检查危险品贮藏情况，及时消除事故隐患； （5）实验室及贮藏室中应安置消防器材设备，管理人 员应懂得防火、灭火知识。 4 某些相互接触能引起燃烧爆炸的物质 4.1 能燃烧爆炸的物质 （1）高氯酸：是一种很强的氧化剂，其浓溶液（85%以 上）或蒸气与有机物、还原性物质反应能引起爆炸。浓度 为 72%的高氯酸较稳定。但经高氯酸稀溶液浸过的有机 物，干燥后若受到热、摩擦或撞击时，也能引起燃烧； （2）高锰酸钾（晶体的或是块状物）：高锰酸钾和浓硫 酸接触，由于易生成极不稳定的 Mn2O7,在 70℃时能引起 爆炸； （3）氯酸钾（钠）：（KclO3）与包装之间的摩擦也会引起 爆炸； （4）硝酸铅：当混有金属粉末时，受到摩擦震动即会 发生爆炸； （5）硝酸银：当接触有机物、易燃物，放置干燥后能引 起爆炸； （6）过氧化氢：接触包装用的衬垫物时，放置干燥后 能引起自燃； （7）三氧化铬：经撞击能引起燃烧。 4.2 能燃烧爆炸的混合物 以下物资不得混放，必须隔离存储。 （1）高氯酸和乙醇； （2）金属钾、钠和水； （3）铝粉和过硫酸铵； （4）氯化盐和硫化锑； （5）三氧化铬、高锰酸钾和硫酸、硫磺、甘油、乙醇； （6）硝酸铵与锌粉； （7）硫酸盐与脂类； （8）亚硝酸盐与氰化钾； （9）过氧化钠和镁、锌、铝粉、水、硫酸； （10）镁、铝、和铝酸盐、硝酸盐； （11）硝酸盐和氯化亚锡； （12）重金属和草酸盐； （13）液态空气或氧气和有机物。 总之，对化学药品要实行分类贮存保管的原则，如氧 化剂与还原剂分开；易燃、易爆与一般试剂分开；腐蚀性、 挥发性化学品与一般试剂分开；液体试剂与固体试剂分 开等等。化学药品的规范存储是实验室管理的一个重要 环节，也是安全生产的重要保证，因此首先要重视，其次 是要对相关人员进行 培训 焊锡培训资料ppt免费下载焊接培训教程 ppt 下载特设培训下载班长管理培训下载培训时间表下载 ，再次是制定有关 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 并执行。 Introduction to Storage of Chemicals LIU Dong，GENG Xiaozhong，MAO Weiqing，LIU Yan （Weichai power Co., Ltd. , Weifang 261001） Abstr act: factory laboratories need to use all chemical reagents, many of which are toxic and flammable, explosive of dangerous drugs. So there is various laboratories insecurity. Such as burns, poisoning, fire , explosion and the three wastes the environmental pollution. Therefore, in order to strengthen the labor protection and management to ensure that laboratory safety, environmental protection, we must understand the nature of chemicals and their methods. Key words: chemical , storage, safety !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 72