含夹矸煤层条件下采煤机截割部动力学特性研究.pdf

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全日制硕士学位论文全日制硕士学位论文 含夹矸煤层条件下采煤机截割部动力学特性研究 Study on the dynamic characteristics of the cutting part of the shearer under the condition of the coal seam 作者姓名 张 雯 导师姓名 赵丽娟 教授 学科专业 机械工程 研究方向 机械电子工程 完成日期 2020 年 08 月 09 日 辽宁工程技术大学 Liaoning Technical University 万方数据 含 夹 矸 煤 层 条 件 下 采 煤 机 截 割 部 动 力 学 特 性 研 究 张 雯 辽 宁 工 程 技 术 大 学 万方数据 关于学位论文使用授权的说明关于学位论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 有关保留、 使用学位论文的规定,同意 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅,学校可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议。 学位论文作者签名____________ 导师签名_____________ 年 月 日 年 月 日 万方数据 2020814 中图分类号 TD421 学校代码 10147 UDC 621 密 级 公 开 辽宁工程技术大学 全日制硕士学位论文全日制硕士学位论文 含夹矸煤层条件下采煤机截割部动力学特性研究 Study on Dynamic Characteristics of Cutting Part of Shearer under the Conditions of Gangue Coal Seam 作者姓名 张雯 学 号 471720058 导师姓名 赵丽娟(教授) 副导师姓名 (教授) 申请学位 工学硕士 培养单位 机械学院 学科专业 机械工程 研究方向 机械电子工程 二〇二〇年八月 万方数据 致致 谢谢 通过研究生阶段的努力,我的学位论文含夹矸煤层条件下采煤机截割部动力学特性 研究终于完成了,这意味着学习生活即将结束。三年的读书生涯是我这一生最难忘的回 忆。回想度过的时光,回忆起穿梭在校园里的一幕幕,就像回到了昨天。因为疫情原因, 我的最后一学期在不安与紧张中匆匆逝去,从未想到与母校最后的相处时光竟如此短暂, 让人扼腕叹息。在这三年的时间里,我在学习上和思想上都受益非浅,这与各位老师、同 学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的 三年的研究生时光中我最想感谢的是我的导师赵丽娟。 她在百忙之中抽出了大量时间 指导我的论文,关心我的学业。在我感到迷茫时,老师循循善诱为我找到了研究方向,在 我撰写论文的过程中,老师一次次的为我细心修改,大到文章结构方向,小到格式内容题 目,全都严格把关,悉心指导。除了老师的引导与教诲,身边同学的帮助也是我学习路上 收获的宝贵财富。论文的每一部分都离不开与身边同学的探讨与学习,他们不仅仅牺牲自 身时间为我查缺补漏,也在我迷茫时为我提供了思路,安抚我的情绪,帮助我走出困境。 在这里,我还想对父母说声感谢,他们为我付出了太多太多,为了照顾我的生活牺牲 了自己的爱好,为了关心我的学业放弃了生活的便利。希望他们在今后的生活中能更加随 心所欲,平淡和谐。 我的论文虽然告一段落,仍希望得到各位老师同学的建议与指正,在此衷心地向大家 表示感谢 万方数据 I 摘摘 要要 含夹矸煤层条件下采煤机截割部所承受的冲击载荷具有非线性和强耦合性特征,影响 其关键零件工作的动态可靠性。为了更准确地模拟采煤机截割部的工作情况,以 MG400/951WD 型采煤机为工程对象,结合实际工况研究采煤机飞溅润滑情况下的动力学 特性。基于三维建模软件 Pro/E 建立采煤机整机三维实体模型,应用 MATLAB 根据兖州 煤业鄂尔多斯能化公司文玉煤矿的煤层赋存条件编译载荷文件,基于 ADAMS 对采煤机进 行多体动力学仿真,分析了所受载荷较大的太阳轮与截割部末端 7 级传动齿轮的动态载荷 并输出对应的载荷文件。应用 Hypermesh 软件为截割部全部零件划分网格,建立包含材料 属性的节点文件。应用光滑粒子流体动力学法,基于 ABAQUS 软件对采煤机截割部进行 流-固耦合分析,将截割部中的润滑油实体化建模并激活为细小牛顿粒子,通过 ABAQUS 的显示动力学求解器对截割部进行动力学分析后,得到太阳轮、行星轮、行星架、齿圈和 传动齿轮的流体场应力云图、速度和应力随时间变化的曲线图。结果显示,应用 SPH 法进 行流-固耦合分析后齿圈、太阳轮、行星轮、行星架、2 级传动齿轮和 4 级传动齿轮的等效 应力极值分别下降了 36.2MPa、86.3MPa、55.1MPa、74.6MPa、64.6MPa 和 62.8MPa,下降 率在 6.9到 17.6之间。太阳轮、行星轮和四级传动齿轮的速度-时间曲线幅值分别下降 532mm/s、 590mm/s 和 351mm/s; 应力-时间曲线幅值分别下降 41.7MPa、 19.6MPa 和 58.4MPa, 下降率在 2到 10之间。考虑到润滑对载荷的影响,以行星机构为工程对象模拟了不同 润滑油牌号、油温以及供油量情况下行星机构流-固耦合模型的动力学特性,得到机构的应 力云图与加速度-时间曲线图,找到了润滑效果最佳的润滑油牌号,仿真结果显示,随着环 境温度的升高,润滑油的润滑效果呈现下降趋势,当行星机构在乏油状态下运行,模型应 力大幅上升,加速度-时间曲线波动增大。基于流-固耦合法的动力学特性分析为机械设备 的动态特特性研究提供了一种新思路,证明了油液无网格化特征相对于传统动力学分析法 的天然优势。 该论文有图 73 幅,表 5 个,参考文献 72 篇。 关键词关键词采煤机;截割部;ABAQUS;流-固耦合;数值模拟 万方数据 II Abstract The impact load sustained by the cutting section of the shearer has the characteristics of dynamic and unstable. The dynamic reliability of the cutting part not only determines the working perance of the shearer itself, but also is closely related to the life of the whole machine. The working environment of the planetary mechanism in the cutting part of the shearer is bad, the impact load is large and the internal lubrication condition is complicated. To calculate the dynamic characteristics of the planetary mechanism more accurately, this paper takes the MG400/951WD shearer as the engineering object, through the 3D modeling software Pro/E establishes the 3D assembly model of the shearers whole machine and introduces it into the ADAMS. The load file is compiled and loaded according to the coal seam occurrence ,-body dynamics simulation of the shearer is carried out, and the dynamic load of the sun wheel is analyzed and the corresponding output is carried out Load file. this paper uses a smooth particle hydrodynamic Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH based on ABAQUS to analyze the flow-solid coupling of the planetary mechanism of shearer cutting section. the lubricating oil entity is modeled and converted into fine particles. the nonlinear gear meshing dynamic analysis is carried out by using the ABAQUS display kinetic solver. the fluid field stress cloud diagram of solar wheel, planetary wheel and gear ring and the curve of wheel and gear ring are obtained respectively. Considering the different conditions of transmission of planetary mechanism, different lubrication is simulated The dynamic characteristics of solar wheel, planetary wheel and gear ring under the condition of oil number, oil temperature and oil supply, the stress cloud diagram and acceleration-time curve of the parts under different working conditions are obtained, the lubricating oil grade with the best lubricating effect is found, and the dynamic law of dynamic characteristics of planetary mechanism under different factors is found. This paper provides a new idea for the dynamic characteristics analysis of mechanical equipment, provides a reference for the flow-solid coupling analysis of equipment, and verifies that the non-grid characteristics of oil and liquid have natural advantages over the traditional dynamic analysis , and can be widely used in the dynamic research of key structural parts of industrial and mining equipment. The paper has 73 pictures, 5 tables and 72 references. Keywords Coal shearer;Cutting part ; ABAQUS; Flow-solid coupling; Numerical Simulation 万方数据 III 目目 录录 摘摘 要要 ................................................................................................................................................... I 目目 录录 ................................................................................................................................................ III 图清单图清单 ............................................................................................................................................... VII 表清单表清单 ................................................................................................................................................ XI 变量注释表变量注释表 ....................................................................................................................................... XII 1 绪论绪论 .................................................................................................................................................. 1 1.1 问题的来源 ......................................................................................................................... 1 1.2 采煤机截割部动力学特性研究现状 .................................................................................. 1 1.3 光滑粒子流体动力学研究现状 .......................................................................................... 3 1.4 论文意义及主要内容.......................................................................................................... 5 2 动力学分析基础理论动力学分析基础理论 ............................................................................................................ 6 2.1 接触问题的有限元分析基础理论 ...................................................................................... 6 2.2 光滑粒子流体动力学基础理论 ........................................................................................ 10 2.3 多体动力学基础理论........................................................................................................ 14 2.4 本章小结 ........................................................................................................................... 17 3 采煤机建模与仿真采煤机建模与仿真 .............................................................................................................. 18 3.1 采煤机零件的三维实体模型构建 .................................................................................... 18 3.2 虚拟装配与干涉检查........................................................................................................ 18 3.3 采煤机动力学仿真模型构建 ............................................................................................ 19 3.4 采煤机多体动力学仿真 .................................................................................................... 21 3.5 本章小结 ........................................................................................................................... 23 4 基于流基于流-固耦合的固耦合的采煤机采煤机截割部动力学特性分析截割部动力学特性分析............................................................... 25 4.1 基于 HYPERMESH 的截割部节点文件构建 ................................................................... 25 4.2 基于 ABAQUS 的截割部流-固耦合有限元模型构建 ...................................................... 28 4.3 采煤机截割部动力学特性研究 ........................................................................................ 32 4.4 润滑对截割部动力学特性的影响 .................................................................................... 39 4.5 本章小结 ........................................................................................................................... 47 5 润滑对行星机构动力学特性润滑对行星机构动力学特性影响因素分析影响因素分析........................................................................ 48 万方数据 IV 5.1 润滑油牌号对行星机构动力学特性的影响 ..................................................................... 48 5.2 润滑油温度对行星机构动力学特性的影响 ..................................................................... 51 5.3 供油情况对行星机构动力学特性的影响 ......................................................................... 54 5.4 本章小结 ........................................................................................................................... 58 6 结论与展望结论与展望 .......................................................................................................................... 59 6.1 结论 .................................................................................................................................. 59 6.2 展望 .................................................................................................................................. 59 参考文献参考文献 ................................................................................................................................. 60 作者简历作者简历 ................................................................................................................................. 64 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 .............................................................................................................. 65 学位论文数据集学位论文数据集 ...................................................................................................................... 66 万方数据 V Contents Abstract......................................................................................................................................I Contents ..................................................................................................................................III List of Figures ....................................................................................................................... VII List of Tables ........................................................................................................................... XI List of Variables .................................................................................................................... XII 1 Introduction ........................................................................................................................... 1 1.1 The source of the problem..................................................................................................... 1 1.2 Research status of shearer dynamic characteristics ................................................................ 1 1.3 Research status of smooth particle hydrodynamics ................................................................ 3 1.4 Thesis significance and main content .................................................................................... 5 2 Basic theory of dynamic analysis .......................................................................................... 6 2.1 The theory of finite element analysis of contact problems ..................................................... 6 2.2 Smooth particle hydrodynamic theory ................................................................................. 10 2.3 Multibody dynamics theory ................................................................................................ 14 2.4 Summary ............................................................................................................................ 17 3 Shearer modeling and simulation........................................................................................ 18 3.1 Three-dimensional modeling of shearer parts ...................................................................... 18 3.2 Virtual assembly and interference check ............................................................................. 18 3.3 Construction of the shearer rigid body model ...................................................................... 19 3.4 Multi-body dynamics simulation of shearer ........................................................................ 21 3.5 Summary ............................................................................................................................ 23 4 Analysis of dynamic characteristics of shearer cutting section based on fluid-solid coupling ................................................................................................................................... 25 4.1 Construction of node file of cutting department based on HYPERMESH ............................ 25 4.2 Construction of fluid-solid coupling finite element model based on ABAQUS cutting section ................................................................................................................................................. 28 4.3 Research on the dynamic characteristics of the shearer cutting section ................................ 32 4.4 Effect of lubrication on dynamic characteristics .................................................................. 39 4.5 Summary ............................................................................................................................ 47 万方数据 VI 5 Analysis of Influence Factors of Lubrication on Dynamic Characteristics ....................... 49 5.1 The effect of lubricant grades on dynamic characteristics .................................................... 49 5.2 Influence of lubricating oil temperature on kinetic properties .............................................. 51 5.3 Effect of fuel supply on dynamic characteristics.................................................................. 54 5.4 Summary ............................................................................................................................ 58 6 Conclusion and Prospect ..................................................................................................... 60 6.1 Conclusion.......................................................................................................................... 60
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