基于多體動力學的采煤機截割部仿真研究

張 帥，程 剛，沈利華，成鈺龍，徐 鵬

（1.中國礦業大學 機電工程學院，徐州 221116；2.天地科技股份有限公司 上海分公司，上海 200092）

0 引言

采煤機工作環境惡劣，負載特性復雜，通過傳統方法建立剛性區域無法準確模擬其受力和變形情況，因此，本文建立采煤機截割部剛柔耦合系統，根據采煤機實際工作情況算出滾筒瞬時負載，由動力學仿真軟件ADMAS對采煤機柔性化搖臂動力學仿真，準確獲得應力應變情況，為優化采煤機設計提供理論依據，本文研究思路。

1）通過對采煤機實際工作情況分析，建立滾筒負載數學模型，利用MATLAB編制滾筒瞬時負載模擬程序，生成滾筒瞬時負載文本文件。

2）利用ANSYS仿真軟件將搖臂離散成有限元網格，將模態中性文件導入ADMAS中，完成采煤機剛柔耦合多體系統的建立。

3）瞬時負載文件添加到剛柔耦合多體系統，進行動力學研究，為采煤機優化設計提供理論依據。

1 采煤機工作特性

由于煤層機械物理特性和采煤工藝等因素影響，造成采煤機工作過程中負載變化劇烈，機械傳動系統造成嚴重的危害，因此，研究采煤機負載特性十分必要。

1.1 截齒瞬時截割阻力

式中：Z0為鋒利截齒受到的切削力；f′為切削阻力系數；Y1為牽引阻力；Y1.0為鋒利截齒上的牽引阻力；Y1－Y1.0為鈍截齒上的牽引阻力。

1.2 截齒瞬時牽引阻力和側向阻力

截齒牽引阻力：

截齒側向阻力：

式中：C1、C2、C3為切削圖影響系數。

1.3 滾筒瞬時負載的確定

根據截齒瞬時阻力即可求得滾筒瞬時載荷。滾筒工作時n個截齒同時截割煤層，則滾筒受到的垂直阻力Fa、水平阻力Fb和軸向阻力Fc分別為：

t時刻螺旋滾筒上受到各個力矩：

式中：ai、bi、ci為滾筒轉到某一位置時，第i個截齒X、Y、X三個方向的分力；Lac、Lbc、Lab、Lcb、Lca、Lba為各合力作用點的位置。

2 瞬時負載模擬及實例

2.1 滾筒瞬時負載模擬程序設計

截齒遇到夾矸等硬包裹體，采煤機系統將受到大載荷的沖擊，很容易造成關鍵零部件的損壞。因此，模擬滾筒瞬時載荷應當注意：1）由于煤層賦存條件復雜，充分考慮夾矸含量對煤層截割阻抗的影響，采用簡化方法模擬遇到夾矸時的實際載荷特性。2）煤層中包裹體分布具有隨機性，因此應找出影響最惡劣的工況進行研究。

通過上述分析可知，滾筒瞬時負載相當復雜，為完成采煤機虛擬樣機復雜負載施加問題，本文采用MATLAB生成滾筒瞬時負載文本，通過ADMAS軟件將該文本數據轉化為樣條函數，解決了采煤機復雜負載施加問題。

2.2 滾筒瞬時負載模擬實例

將系統參數、幾何參數及工作條件參數等輸入已編好的程序中，即可得到不同參數下滾筒瞬時三向力和力矩仿真曲線，如圖1所示。同時還可以得到滾筒質心處瞬時力及力矩隨時間變化的負載文本，然后將該文本導入到ADMAS中，得到與圖1完全相同的負載曲線，如圖2所示。說明本文提出的對采煤機瞬時負載模擬的研究方法是可靠的。然后在ADMAS中，將圖2中的六條負載曲線擬合成六條樣條函數，方便施加載荷。

圖1 滾筒瞬時三向力和力矩載荷曲線

圖2 導入ADMAS后滾筒瞬時三向力和力矩載荷曲線

3 剛柔耦合多體系統動力學仿真

3.1 采煤機虛擬樣機模型的建立

采煤機剛柔耦合多體系統由UG NX、ANSYS和ADMAS聯合建立。為使分析與實際情況更吻合，使用UG NX建立168個零件模型，然后裝配成整機，如圖3 (a)所示。各零部件之間共有213個裝配關系。通過UG NX與ADMAS之間的無縫連接口，將采煤機三維模型導入到ADMAS中，并使用ADMAS自檢功能仔細檢查模型材料、約束等屬性，確保虛擬樣機模型的正確性。利用有限元分析軟件ANSYS將搖臂離散成細小網格，進行模態計算生成中性文件，由ADMAS/Flex模塊將剛性搖臂替換成柔性，形成采煤機剛柔耦合多體系統。

3.2 搖臂對負載的響應分析

柔性體通過外部連接點與剛體或其它柔性體建立連接關系。搖臂柔性體如圖3 (b)所示。圖中Marker2、Marker3和Marker4分別為采煤機搖臂和牽引部及調高液壓系統的連接點，當搖臂調整到合適高度割煤時，施加負載進行仿真分析。對采煤機剛柔耦合多體系統仿真，應根據柔性體的頻率特性選擇合適的積分器，由于載荷曲線變化劇烈，推薦使用SI2積分格式，可以提高求解性能。

圖3 采煤機虛擬樣機

圖4 鉸接點的受力曲線

圖5 搖臂質心的變形

在Marker1點施加瞬時負載：ASKISPL (time, 0,SPLINE_i, 0)進行仿真，其中SPLINE_i (i=1 to6)為圖2中的六條曲線函數。仿真時間設為3秒，步長200。通過仿真可以得到鉸接點的受力曲線及柔性搖臂上各個點的變形曲線，Marker2～Marker4受力對應如圖4中曲線1～3，圖5表示柔性搖臂質心變形曲線，曲線1～3為質心沿X、Y、Z向的變形，曲線4為總變形量。

根據仿真結果，Marker2和Marker4受力趨勢一致，3秒內應力發生5次突變，峰值反映滾筒截齒遭遇夾矸等結合體時受到的沖擊力，其余時間載荷波動平穩。Marker3受力最小，同樣受到沖擊載荷發生突變。圖5可看出，柔性化搖臂質心沿Y方向變形最大，最大變形量0.8991mm，當采煤機受到沖擊載荷時，搖臂位移變化劇烈。

4 結論

1）建立采煤機負載特性方程，并根據所建立的數學模型，求得采煤機滾筒瞬時負載，為分析采煤機受力提供了理論模型。

2）通過MATLAB將負載轉換成曲線方程，方便ADMAS對搖臂受力分析，解決了采煤機負載復雜，模擬困難的難題。

3）基于UG NX、ANSYS和ADMAS建立剛柔耦合采煤機虛擬樣機模型，為采煤機優化設計提供了參考，拓寬了虛擬樣機技術與研究內容。

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