車載煤炭采樣機制樣裝置的設計優化

王建飛， 王敬斌

（陽煤集團二礦， 山西 陽泉 045000）

引言

煤炭采樣是煤炭煤質相關特性分析中最為重要的工序，對煤炭品質影響較大。目前常見的煤樣制備方式有人工采樣和機械采樣。人工采樣工作效率低，且在惡劣的環境下，工作人員難以長時間連續工作；機械采樣常見的有橋式采樣機、門式采樣機和懸臂式采樣機等，雖然大大提高了工作效率，降低了工人的勞動強度，但采用固定方式的采樣設備，完成對煤堆不同位置和不同形式的采煤制樣工作是很不容易的。

本文所研制的車載可移動式采樣機制樣裝置，用ABAQUS軟件對制樣裝置中關鍵部件回轉臺進行模態仿真分析，得到回轉臺的變形較為明顯。為了改善這一現象，對轉盤結構進行優化，并進一步驗證結構優化的合理性。

1 制樣裝置的三維模型

車載煤炭采樣機制樣裝置主要由三部分組成：傳動機構、轉臺機構和封裝機構。傳動機構的作用是傳遞力和扭矩，并實現了工位之間的間歇切換，主要包括電機、減速機構、槽輪機構、聯軸器等；轉臺機構的作用是切換料桶和定位夾緊，主要包括圓形工作臺、集料筒、定位機構、夾緊機構等；封裝機構的作用是完成抓蓋、轉移、對正和壓蓋密封等工序，主要包括桶蓋、抓蓋機構、升降機構、往復回轉機構等[1]。煤炭采樣機裝置的結構組成如圖1。

圖1 制樣裝置三維圖

2 采樣機裝置動態特性分析

各構件轉動慣量

式中：ρi為各構件密度；Vi為各構件體積；di為各構件直徑。

假設整個傳動過程能量守恒，經計算可得各構件的轉動慣量如表1所示。

表1 制樣裝置傳動系統各構件的轉動慣量

式中：ωn為固有頻率；J為總轉動慣量；K為扭轉剛度。

由表1可知J=37.52 kg/m2，查閱資料知K=1.25，故 ωn=0.18 Hz。

由表1可知，回轉臺的轉動慣量最大，且轉動慣量數量級數遠遠超過其他各構件的轉動慣量級數。由式（2）可知，回轉臺對系統的固有頻率有很大影響，因此需對采樣機往復回轉機構進行模態振動分析[2]。

3 往復回轉機構模態分析

3.1 回轉機構模態分析數學模型

往復回轉機構的模態反映了其振動特性，為采樣機整體結構的系統振動特性分析及其結構優化起重要作用。本文采用提取特征值的方法[3]，其運動的線性微分方程為

式中：[M]為質量矩陣；[K]為剛度矩陣；為加速度向量；{x（t）}為位移向量。

假設結構做簡諧運動，則：

由此可得：

由此計算可得系統的固有頻率和振型。

3.2 模態仿真圖

本文采用Lanczos法，對前六階進行模態分析[4]，應用ABAQUS軟件可得回轉臺的固有頻率和振型如表2所示，各階模態振型圖如圖2所示。

表2 往復回轉機構的固有頻率及其模態振型

由表1和圖2可知，在三階模態振型下，主要是由于共振現象產生，采料桶和往復回轉機構在共振作用下均出現不同程度的結構變形，其中，轉盤的形變比較顯著。分析其原因為：轉盤在工作時承受了來自料桶、煤樣和傳動系統的較大的扭轉力作用，對其整體結構的抗振性能具有較高的要求，因此，有必要開展對轉盤的結構優化研究。

4 轉盤結構優化

由前面計算可知，系統的固有頻率0.18 Hz，為避免出現共振現象，需改變轉盤的固有頻率，對轉盤采取的結構優化設計措施如下：一是在轉盤上各主要采樣桶之間添加一定數量的加強筋；二是增加轉盤底座厚度，提高轉盤結構強度，降低轉臺機構在啟停瞬間受到較大程度的沖擊作用[5]。結構優化后的轉盤三維模型如圖3所示。

表3 結構優化后往復回轉臺的固有頻率和振型

通過對改進后的轉盤進行模態分析，得到回轉臺在前六階模態下的固有頻率和振型結果，其結果如表3所示。

5 結論

1）設計了一種車載煤炭采樣機制樣裝置，并對其進行了動態特性分析，得出回轉臺的轉動慣量遠遠大于其他構件；

2）通過ABAQUS軟件制樣裝置的關鍵部件回轉臺進行模態分析，從回轉臺的固有頻率和振型圖可知，回轉臺的變形較大，針對這個現象，對轉盤結構優化設計；

3）經對比轉盤優化前后的模態振型可知，結構優化后的轉盤不再有明顯的變形，即優化是合理和有效的，也進一步驗證了制樣裝置結構設計的合理性。