基于刚柔耦合的采煤机摇臂动态特性仿真研究.pdf

0引言 采煤机的工作环境复杂、恶劣，从而产生摇臂 的振动现象，致使采煤机工作中关键部件失效与损 坏。 究其原因，主要是对采煤机摇臂的动态特性研 究不够。 因此，探索相关的理论体系和研究方法，研 究采煤机摇臂的动态特性十分必要。 本文基于刚柔 耦合的动力学理论，探讨了虚拟样机柔性体建模技 术，构造采煤机截割部摇臂的虚拟样机模型。 分析 采煤机摇臂在大范围刚体运动与局部弹性变形耦 合作用下产生的动态响应，并对不同工况下采煤机 摇臂进行了动力学分析及强度分析，从而为采煤机 的研制和使用提供理论依据和技术参考。 1虚拟样机柔性体仿真流程 采用UG、ADAMS和ANSYS等工程软件协同 仿真，通过ANSYS软件生成采煤机摇臂柔性体，可 将虚拟样机的多刚体动力学分析转换为多柔体动 力学分析，不仅提高虚拟样机的仿真精度，同时拓 宽了研究内容。 建立采煤机柔性摇臂的虚拟样机分 析模型，仿真分析流程如图1所示。 2虚拟样机建模技术 （1）刚体的建模方法 ADAMS软件具强大的动力学分析功能， 但其 三维建模功能较弱，建模过程中很难保证模型的尺 寸精度和装配精度，因此，不适于复杂结构的建模。 解决的方法是选用专业的三维建模软件UG建立其 几何实体模型。 模型参数通过对Eickhoff SL500型 采煤机截割部运用反求工程确定，几何模型包括摇 臂、油缸、活塞杆、滚筒等。 图1系统仿真流程 （2）柔性体建模技术 虚拟样机中柔性体采用模态中性文件（Modal Neutral File）描述，该文件是一个独立于操作平台的 二进制文件，包含了柔性体的几何信息、节点质量和 惯性量、模态质量、模态刚度等信息。 在虚拟样机中 创建柔性体有多种方法， 最直接的方法是使用 煤矿机械 Coal Mine Machinery Vol.31No.11 Nov. 2010 第31卷第11期 2010年11月 基于刚柔耦合的采煤机摇臂动态特性仿真研究 * 刘楷安 1， 李秋菊1， 姜学寿2 （1.华北水利水电学院， 郑州450011；2.中国华电工程（集团）有限公司， 北京100035） 摘要 利用UG、ADAMS和ANSYS等软件构造的协同仿真环境，建立了基于刚柔耦合的采 煤机截割部摇臂虚拟样机模型。 在对摇臂进行动力学分析和强度分析的基础上，获取不同工况下 摇臂的振动规律，求解了基于时间历程的摇臂应力变化，从而为采煤机摇臂的结构设计、优化及使 用提供理论依据。 关键词 协同仿真； 虚拟样机； 强度分析； 柔性体 中图分类号TD421.61文献标志码A 文章编号1003 － 0794（2010）11 － 0047 － 03 Research on Dynamic Characteristics of Ranging Arm of Shearer Based Rigid-flex Coupled System LIU Kai-an1, LI Qiu-ju1, JIANG Xue-shou2 （1. North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Zhengzhou 450011，China；2. China Huadian Engineering Co., Ltd., Beijing 100035，China） Abstract UG，ADAMS and ANSYS are used to create the cooperative simulation environment, and a virtual prototyping based rigid-flex coupled is investigated in terms of ranging ram of shearer. Utilizing the dynamics analysis and strength analysis to obtain the vibration law under different operating mode parameters. The simulation did a better job of resolving the time -dependent data of stress. The simulation results provide the theoretical basis for design and optimization of Ranging Arm. Key words cooperative simulation；virtual prototype；strength analysis；flexible body *华北水利水电学院青年科研基金资助（HSQJ2009010） UG建立刚性实体模型 parasolid格式 ADAMS中模型 创建柔性体 提取模态信息 添加约束 施加载荷 Durability模块 强度分析动力学仿真 输出仿真结果 载荷文件（*.lod） 有限元分析 模态中性文件 划分网格求解 定义连接点 定义材料属性 定义单元类型 ANSYS中模型 47 ADAMS软件的AutoFlex模块对采煤机摇臂进行柔 性化，其优点是方便快捷，缺点是不适用于复杂的模 型，网格划分粗糙，分析精度较低；另一种方法是运 用有限元分析软件 （如ANSYS和NASTRAN等）生 成摇臂的模态中性文件。 采用ANSYS生成采煤机 摇臂模态中性文件，其步骤 ①建立摇臂有限元模型将UG建立的摇臂几 何模型以Parasolid格式导入到ANSYS软件。定义单 元类型为能适应各种边界条件、具有较高求解精度的 四面体10节点单元solid92，单元材料属性见表1。 表1摇臂壳体材料 ②连接点的定义ADAMS软件要求柔性体与 刚性体连接点必须有节点存在，该节点作为柔性体 的外部节点使用，定义单元类型为mass21，实常数 取极小值，一般为10-6。 需要指出，外部节点是通过 定义刚性区域与周围节点耦合， 其数量不能少于2 个。 采煤机摇臂与牵引部、滚筒、调高液压缸等部件 连接，需定义4个外部连接点，其坐标见表2。 表2连接点坐标 ③划分网格单元由于摇臂结构较为复杂,不 适于映射网格划分，因此，采用自由网格划分中的 智能网格Smart Size划分摇臂体，等级设置为3级， 并定义外部连接点单元类型为mass21。 柔性摇臂共 包括34831个节点，20376个单元。 ④输出模态中性文件在ANSYS环境下运行 ADAMS.mac宏命令，选择外部节点，生成摇臂模态 中性文件。 输出文件应保证ANSYS中的单位与 ADAMS的一致，同时，在单元结果选项中选择包括 应力和应变。 求解后生成的模态中性文件经过 ADAMS/Flex工具箱优化后导入ADAMS软件，替换 几何模型中的刚性摇臂，生成含柔性摇臂的虚拟样 机模型，如图2所示。 图2导入柔性体的样机模型 3仿真分析 （1）模态分析 模态振型是采煤机摇臂结构所固有的振动形 态，它不随测试条件和测试方法而改变。 由柔性摇 臂的属性信息，可知摇臂的自由模态中前6阶模态 为刚性模态,高阶模态通常为局部模态，由于机构的 约束， 实际应用中一般不会被激发。 分别采用 ADAMS的Vibration模块和ANSYS软件对摇臂进 行模态分析，获取约束模态信息，分析结果见表3。 表3摇臂模态分析结果 （2）振动分析 采煤机摇臂的振动与其结构尺寸、 外部载荷、 边界条件等因素有关。 滚筒上的载荷非常复杂，其 大小与参加截割的截齿几何参数磨损情况、以及煤 壁的截割阻抗大小等有关。 通常将滚筒上载荷简化 为牵引阻力、截割阻力、轴向力等，其幅值参考德国 Eickhoff公司摇臂有限元分析的负载， 即牵引力为 923 kN，截割力为230 kN，轴向力为743 kN。 摇臂 边界条件通过旋转副与牵引部、滚筒、调高油缸等 连接确定。 依据摇臂摆角设计范围主要研究4种工 况下摇臂振动规律，分别定义工况I、II、III、IV表示 摇臂与牵引方向夹角分别为-21.3、0、21.3、55。 通过虚拟试验绘制摇臂质心在阶跃负载下的位移 响应如图3所示。 （a）工况Ⅰ （b）工况Ⅱ （c）工况Ⅲ （d）工况Ⅳ 图3摇臂质心振动幅值 指标 参数 屈服极/MPa 294327 抗拉强度/MPa 510516 弹性模量/MPa 2.08E5 泊松比 0.29 密度/kgm-3 7 860 X轴坐标/mm Y轴坐标/mm Z轴坐标/mm Mark1 -740 40 140 Mark2 -740 40 895 Mark3 -520 -660 140 Mark4 1 600 0 -1 140 模态 阶数 1 2 3 4 5 6 ANSYS中 固有频/Hz 25.063 26.093 75.660 104.47 227.82 253.36 ADAMS中 固有频率/Hz 25.079 26.094 75.736 105.137 228.301 254.883 振型描述 1次弯曲（绕Y 轴） 1次弯曲（绕X 轴） 2次弯曲（绕X 轴） 1次弯曲（绕Z 轴） 2次弯曲（绕Z 轴） 2次弯曲（绕Y 轴） 最大振幅/m 0.018 1 0.024 1 0.027 1 0.021 7 0.022 1 0.020 7 第31卷第11期Vol.31No.11基于刚柔耦合的采煤机摇臂动态特性仿真研究刘楷安，等 012345678910 0.3 0.6 0.9 1.2 时间/s 振幅/mm 012345678910 0.3 0.6 0.9 1.2 时间/s 振幅/mm 时间/s 012345678910 0.3 0.6 0.9 1.2 振幅/mm 012345678910 0.3 0.6 0.9 1.2 时间/s 振幅/mm 48 第31卷第11期Vol.31No.11基于刚柔耦合的采煤机摇臂动态特性仿真研究刘楷安，等 由图3可知，摇臂振动的幅值与频率与摇臂的 摆角有关，各工况下摇臂的振动幅值及最大超调量 统计值，见表4。 表4采煤机摇臂阶跃载荷响应 （3） 强度分析 对摇臂进行强度分析的方法有①将ADAMS 软件输出的载荷文件调入ANSYS进行瞬态动力学 分析， 也可以通过ADAMS软件提取摇臂运动副上 的载荷添加到ANSYS的有限元模型上进行强度分 析；②采用ADAMS中的Durability 模块进行强度分 析。 本文采用后者，获得了摇臂调高过程中应力及 应变的时间历程响应。 在Post Processor模块查找 Contour Plots确定摇臂在调高过程中最大的Von Mises Stress为288 MPa，如图4所示。 图4摇臂调高过程中应力图 由DurabilityHot Spots Table可得到任意节点 的位置坐标及其应力值变化的时间历程，其中最大 值位于摇臂的下支撑耳处。 通过DurabilityNodal Plots绘制摇臂在调高过程中下支撑耳应力最大点 的时间历程响应曲线，如图5所示。 摇臂应力值在 调高开始时，出现较大的波动，随着摇臂摆角的从 -21.3～55的连续变化，应力减小后逐步增大，当摆 角为21.7时，该应力点应力仅为28 MPa。 由此可知，摇臂调高过程中应力大小受冲击载 荷影响较大，同时与摆角的位置有关。 在不同的工 况分别施加阶跃负载，其最大应力值及其位置统计 见表5。 图5应力最大点的时间历程 表5采煤机摇臂强度分析结果 4结语 （1）基于UG、ADAMS及ANSYS协同仿真建立 含柔性体的采煤机摇臂虚拟样机系统是可行的，拓 宽了虚拟样机的研究内容，实现采煤机摇臂的运动 学、动力学及有限元的协同仿真分析； （2）摇臂在调高过程中，在高位和低位时，阶跃 负载下，摇臂振动幅值、最大超调量较大； （3）采煤机摇臂在调高过程中，摇臂最大应力 集中在下支撑耳处，该点应力值随着摇臂摆角发生 变化，在工况I、IV时，应力较大。 参考文献 ［1］李萍，李晓豁，刘春生.采煤机的动力学模型及其仿真研究［J］. 矿山机械，2004（6）11－13. ［2］廉自生，刘楷安.采煤机摇臂虚拟样机及其动力学分析［J］.煤炭 学报，2005（12）201－804. ［3］赵丽娟，王乘云.复杂刚柔耦合系统模态参数识别与振动分析研 究［ J］.制造业自动化，2009（4）105－108. ［4］吴卫东，安兴伟.基于ANSYS的采煤机摇臂有限元分析［J］.煤矿 机械，2009，30（3）77-79. ［5］曹树谦，张文德，萧龙翔.振动结构模态分析-理论、实验与应用 ［M］.天津天津大学出版社,2001. 作者简介 刘楷安（1979－），河南封丘人，讲师，硕士，2005年毕 业于太原理工大学机械设计及理论专业，现从事机电工程的教学与 科研工作，电子信箱lkancwu.edu. 责任编辑卢盛春收稿日期2010－05－31 摇臂摆角/（） 稳态值/mm 最大超调量/mm 工况I -21.3 0.731 47.1 工况II 0 0.690 22.3 工况III 21.3 0.673 26.6 工况IV 55 0.702 56.4 摇臂摆角/（） 最大应力/MPa 位置描述 工况I -21.3 288 支撑耳 工况II 0 131 支撑耳 工况III 21.3 105 摇臂头部 工况IV 55 286 支撑耳 Von Mises StressPaMax at Node 35 Time 0.5 2.88E008 2.52E008 2.16E008 1.80E008 1.44E008 1.08E008 7.20E008 3.60E008 0.0 1020304050600-10-20-30 0.0 5.0E007 1.0E007 应力/Pa 1.5E007 1.0E007 2.5E007 3.0E007 摇臂摆角/（） 多通接头提高架间压注防火剂效率 兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿创造出一种多通接头并改变了压注防火剂工艺，人员和材料比原先减少一半，效率提高 1 倍。 1307综放工作面共装备142组液压支架，停采后在架间施工435个防火钻孔。 按原压注工艺，工作面前的注浆管路每隔 15 m设1个三通阀门。 整个工作面设置16个三通阀门。 每个三通阀门由1根准19高压软管与架间防火钻孔连接。 工作面共设 置15条高压软管连接15个防火钻孔。 如果有渗漏的防火孔立即关闭该孔阀门改注其他孔，但为了不使注浆管鼓断又不能同 时关闭太多阀门，这样难免有大量防火剂由注浆孔漏到工作面，恶化了工作面撤架环境。 他们设计了一种多通，在一段两头封 闭的准51钢管上焊接6个准19接头。压注防火材料时，准51钢管一端接进浆管，6个准19接头直接连到防火孔上。1个多通可连 接6个防火孔，大大提高工作效率，且可方便移动及回收再用。整个工作面连接5个多通，1次可同时压注30个钻孔。（李剑峰） 49