采煤机截割部动力学仿真及实践研究.pdf
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1、第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期:;责任编辑:郭海霞 :基金项目:山西省科技厅青年基金资助项目()作者简介:张泽泰(),男,甘肃白银人,工程师,研究方向为采矿工程。引用格式:张泽泰,杜双利,张欢 采煤机截割部动力学仿真及实践研究 能源与环保,():,():,采煤机截割部动力学仿真及实践研究张泽泰,杜双利,张欢(国网能源哈密煤电有限公司 大南湖一矿,新疆 哈密 ;太原理工大学 安全与应急管理工程学院,山西 太原 )摘要:截割部作为采煤机关键结构,其设计分析多采用理论计算分析、刚柔耦合动力学分析等多种分析方法,不同设计分析方法所获取的设计方案也存在较大差异性。为获取更为精准合理的设计方案,将
2、在设计中引入动力学仿真分析方法,分别采用刚柔耦合动力学仿真和机电耦合动力学仿真两种仿真分析方法对采煤机截割部进行仿真分析,从中选择最佳动力学仿真分析方法,进而对采煤机截割部关键零部件 扭矩轴进行参数化设计,再分别采用仿真分析和工程应用实践分析进行参数化设计检验,综合确认扭矩轴参数化设计可行性和应用价值。关键词:采煤机;截割部;动力学仿真;机电耦合模型;参数化设计中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):,:;截割部作为采煤机关节结构,其动态响应特性直接影响到采煤机整体生产效率和使用寿命。为保障采煤机不出现过载损坏情况,设置于传动系统与截割电机之间的扭矩轴具有动力传递、弹性缓冲、过载保
3、护等功能,在采煤机过载时可率先扭断,避免采煤机过载损毁。当前采煤机截割部设计常用设计方法为理论计算法和仿真分析法,但相关方法未充分考虑到冲击载荷对扭矩轴性能的影响,以至于所设计的扭矩轴难以满足采煤机过载保护需求 。针对此种情况,介绍一种机电耦合动力学仿真方法,并以此方法为基础实施采煤机截割部扭矩轴参数化设计,旨在为后续扭矩轴设计提供仿真分析方法与参数化设计参考。采煤机截割部动力学仿真模型构建 刚柔耦合动力学模型采用 三维模型软件构建采煤机截割部关键部件三维立体模型,并对模型进行简化处理,森林模型中小孔、倒角等综合性能影响较小结构。完成模型简化后,对模型进行虚拟装配,形成采煤机截割部三维几何模型
4、导入到 软件中,形成采煤机截割部刚性体模型。将采煤机截割部扭矩轴三维 年第 期能源与环保第 卷立体模型导入到 中,采用四面体单元对扭矩轴模型进行网格划分,设置质量单元参数为 ,模型材料为 ,此种材料密度为 、弹性模量为 、泊松比为 。将扭矩轴模型两端花键设置为刚性体系,其他区域则为柔性体模型。将扭矩轴模型导入到 软件中,替换模型原有扭矩轴刚性体模型,形成刚柔耦合模型。图 采煤机截割部刚柔耦合模型 另外,需要在 环境中构建截割部电路系统模块。其中,截割电机参数主要技术参数:电机功率 、极数 、额定电压 、额定频率 、额定转速 、接法 型、工作制为 型。具体截割电机对应的截割电路系统模块如图 所示
5、。图 截割电机电路系统模块 机电耦合动力学模型机电耦合动力学模型的构建关键点在于机械传动系统与截割电机相连,形成一个完整的动态仿真系统。为能够将截割部机电特性引入到刚柔耦合模型中,需要在 软件中为模型配置 输入变量和 输出变量,分别用于将截割电机动力传递至传递系统,将传动系统负载转矩传递至截割电机输出轴 。在 工具中导入 参数变量及模型,并在 中将截割电机与刚柔耦合动力学模型相连,形成几机电耦合动力学模型如图 所示。图 机电耦合动力学模型 采煤机截割部动力学仿真分析 刚柔耦合动力学仿真定义仿真分析时间为 ,步长为 ,采用 求解器进行仿真求解,进而获取图中的仿真分析结果。图 扭矩轴负载转矩曲线
6、由图 可知,采煤机截割部扭矩轴最大负载转矩出现在仿真开始后的 时,对应的负载扭矩为 。此时扭矩轴会承受较大的惯性力,并且电机转速不会因为截割过程所产生的冲击载荷而出现波动。此外,在截割电机启动阶段扭矩轴负载转矩波动幅度较大,而在截割电机达到工作转速后,扭矩轴的转矩波动幅值也开始进入稳定状态,只有在遭受较大冲击载荷时才会出现大幅度波动。通过 软件实施扭矩轴剪应力仿真分析,具体仿真结果如图 所示。图 扭矩轴剪应力分布 年第 期张泽泰,等:采煤机截割部动力学仿真及实践研究第 卷由图 可知,扭矩轴所承受的剪应力主要集中在卸荷槽区域。在采煤机过载时,扭矩轴会从卸荷槽处断裂,符合卸荷槽设计目的要求。但由于
7、刚柔耦合动力学模型中扭矩轴两端花键为刚性体,其在仿真中所产生的剪应力减小。在 软件中提取扭矩轴最大应力仿真区域,进而确定最大应力点为 节点,该节点所对应的最大应力值为 。节点对应的剪应力曲线如图 所示。图 节点的剪应力曲线 对比图 和图 可知,扭矩轴最大应力点剪应力曲线和负载转矩曲线基本相同,但由于刚柔耦合动力学模型中扭矩轴为柔性体,所以在承受负载时可能会出现一定形变,进而导致剪应力曲线和负载转矩曲线之间存在一定的相位差情况。机电耦合动力学仿真仿真分析中将刚柔耦合动力学模型与截割电机之间的交互时间设置为 ,在交互后为两者之间连接状态设置为离散,离散仿真时间设置为 ,之后实施机电耦合动力学仿真分
8、析,进而获取以下仿真分析结果(图 )。图 扭矩轴负载转矩曲线 由图 可看出,采煤机截割部扭矩轴最大负载转矩出现于仿真开始后 ,对应的最大负载转矩为 。同时,在截割电机启动阶段扭矩轴负载转矩波动幅度较大,而在截割电机达到工作转速后,扭矩轴转矩波动幅值也开始进入稳定状态,只有在遭受较大冲击载荷时才会出现大幅度波动。通过 软件实施扭矩轴剪应力仿真分析,具体仿真结果如图 所示。图 扭矩轴剪应力分布云图 由图 可知,扭矩轴所承受的剪应力主要集中在卸荷槽区域。在采煤机过载时,扭矩轴会从卸荷槽出断裂,符合卸荷槽设计目的要求。但由于刚柔耦合动力学模型中扭矩轴两端花键为刚性体,其在仿真中所产生的剪应力减小。在
9、软件中提取扭矩轴最大应力仿真区域,进而确定最大应力点为 节点,该节点所对应的最大应力值为 。节点对应的剪应力曲线如图 所示。图 节点的剪应力曲线 对比图 和图 可知,扭矩轴最大应力点剪应力曲线和负载转矩曲线基本相同,但由于刚柔耦合动力学模型中扭矩轴为柔性体,所以在承受负载时可能会出现一定形变,进而导致剪应力曲线和负载转矩曲线之间存在一定的相位差情况 。动力学仿真对比分析以上分布采用刚柔耦合动力学模型和机电耦合动力学模型进行仿真分析,对两种仿真分析方法进行匹配对比后,获取到对比分析结果,见表 。刚柔耦合动力学模型和机电耦合模型动力学模型之间的差异点仅在于模型构建中是否考虑机电耦合,根据表 可知,
10、种模型之间所获取仿真结果差异均相对较大。其中最大负载转矩间差异率为 ,负载转矩均值间差异率为 ,方差间差异率为 ,最大剪应力间差异率为 。年第 期能源与环保第 卷表 两种模型对比结构 项目刚柔耦合模型机电耦合模型最大负载转矩()负载转矩均值()方差 最大剪应力 总体来说,相较于刚柔耦合动力学模型来说,机电耦合动力学模型各项参数值均相对较小,说明机电耦合可以发挥出以的扭矩轴负载抑制作用。采煤机截割部扭矩轴参数化设计 扭矩轴参数化设计流程将机电耦合动力学仿真分析结果导入到 中进行数据拟合,进而可获取到扭矩轴卸荷槽结构参数与最大剪应力区间之间的函数关系式,再根据函数式关系式来获取对应的卸荷槽尺寸参数
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