合理截齒設(shè)計破碎煤體論文

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論文摘要：采煤機截齒截割煤體時，截齒承受隨時間而變化的動載荷。為了掌握采煤機截齒工作時應(yīng)力、位移的分布情況，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，對它進行模態(tài)分析和動態(tài)設(shè)計具有重要意義。所述模態(tài)分析和動態(tài)設(shè)計的內(nèi)容和步驟，可為采煤機截齒的設(shè)計提供理論依據(jù)。

論文關(guān)鍵詞：截齒模態(tài)分析有限元法動態(tài)設(shè)計

1引言

采煤機截齒是直接破碎煤體的刀具。它在工作中經(jīng)常受到強烈的沖擊和磨損，更換截齒的工作也很頻繁，它消耗量的大小直接關(guān)系到采煤成本的高低，因此，設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理、選材正確的截齒具有重要意義。

2采煤機截齒的截煤原理和外載荷

通過討論采煤機截齒的截煤原理，正確確定截齒所承受的外載荷，為截齒的動態(tài)設(shè)計及優(yōu)化配置做好準(zhǔn)備。

綜合截齒截煤過程可以看出，采煤機截齒在正常工作時的受力是相當(dāng)復(fù)雜的，截齒的截煤過程是“密實核”的形成、發(fā)育、收縮、再發(fā)育、再收縮直到消失的過程。同時，截齒所承受的截割阻力、推進阻力和側(cè)向力也隨之變化，即截齒將承受隨時間變化的動載荷。

采煤機截齒外載荷的特性與截齒的幾何參數(shù)有一定的關(guān)系。當(dāng)截角較大時，刀具前面對煤體的力朝向煤體內(nèi)部，煤因受到強烈的擠壓而形成“密實核”，這時截割阻力較大，推薦值為55—65。；前角因與截角互為余角，所以前角的影響正好與截角相反；當(dāng)后角小于5。時，截割阻力和牽引阻力要顯著增大，推薦值為6—12。。

截齒在滾筒圓周表面上的排列方式也直接影響著截齒外載荷的特性。為了減小外載荷的波動，提高機器運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，截齒排列應(yīng)遵守以下基本原則：端盤截齒應(yīng)傾斜安裝；端盤截齒所截出的截縫寬度不宜過大，以免增加截齒載荷，一般取80—120rlln3為宜；截齒應(yīng)均勻地分布在滾筒的圓周上，使同時截入的截齒數(shù)基本保持不變，以保持采煤機工作的穩(wěn)定性；截線距的大小是根據(jù)煤質(zhì)硬度決定的，在中硬煤質(zhì)里，截線距以40—60rlln3為宜，截線距過大，會造成單齒負(fù)荷增加，影響采煤機的工作穩(wěn)定性；在螺旋葉片上的截齒，一般按0。安裝，既不傾斜于煤壁，也不傾斜于采空區(qū)，這樣可以充分發(fā)揮截齒的截割作用，減少側(cè)向力。

3模態(tài)分析在采煤機截齒動態(tài)設(shè)計應(yīng)用中的方法

以模態(tài)分析為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計是近年來振動工程界開展的最廣泛的研究領(lǐng)域之一。模態(tài)分析在采煤機截齒動態(tài)設(shè)計應(yīng)用中的方法主要有以下幾方面：

(1)載荷識別

由采煤機截齒的截煤原理知道，要想得到截齒所承受的外載荷的精確值，僅僅依靠理論計算的方法是比較困難的。可以利用載荷識別的方法達(dá)到此目的：首先測得系統(tǒng)的頻響函數(shù)和模態(tài)參數(shù)，然后測得其在實際載荷作用下的響應(yīng)，依此識別對應(yīng)響應(yīng)的外載荷。

(2)靈敏度分析

當(dāng)截齒的某階固有頻率比較接近工作頻率時，需要修改結(jié)構(gòu)物理參數(shù)，這就是靈敏度分析所要解決的問題。需要從如下幾方面加以考慮：修改質(zhì)量對模態(tài)頻率和模態(tài)振型的影響最大，而且，對高階模態(tài)的模態(tài)頻率和振型的影響大于對低階模態(tài)的影響；模態(tài)振型中變形較大的部位是敏感部位，修改振型中變形較大部位對模態(tài)頻率和模態(tài)振型影響較大；修改剛度對低階模態(tài)振型的影響大，剛度變化對各階模態(tài)特征值影響相同；修改阻尼對高階與低階振型的影響程度相差不明顯。

(3)物理參數(shù)修改

有限元法(FEM)模態(tài)分析和實驗?zāi)B(tài)分析(EMA)是模態(tài)分析的基本方法。前者比后者要方便得多，特別是在修改截齒結(jié)構(gòu)時，能夠快速、方便地預(yù)測修改后結(jié)構(gòu)的各種動態(tài)特性。為了有效地利用FEM這一有力工具，可以使用EMA結(jié)果對截齒FEM模型進行修正，以得到準(zhǔn)確的FEM模型。

(4)物理參數(shù)識別

物理參數(shù)識別是指僅從實驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果中識別物理參數(shù)，其實質(zhì)是一個實驗建模問題。

(5)再分析

再分析的目的是根據(jù)截齒物理參數(shù)的修改量估算修改后結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，再分析與物理參數(shù)修改互為逆問題。如果是基于FEM模型的再分析，則只需要重新求解一遍特征值問題即可。如果是基于EMA模型的再分析，雙模態(tài)空間分析法是最基本、最通用的方法。

(6)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

截齒結(jié)構(gòu)修改量是以物理參數(shù)(質(zhì)量、剛度、阻尼)表示的，而工程設(shè)計中最終需要的是以結(jié)構(gòu)參數(shù)(尺寸、形狀、材料特性等)表示的修改量。如何修改結(jié)構(gòu)參數(shù)，使結(jié)構(gòu)特性(包括靜態(tài)和動態(tài)特性)達(dá)到最優(yōu)，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要解決的問題。結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計是以結(jié)構(gòu)的固有頻率和動力響應(yīng)作為目標(biāo)函數(shù)或約束條件，通過優(yōu)化設(shè)計降低振動水平，保證結(jié)構(gòu)性能，改善工作環(huán)境。

4模態(tài)分析在采煤機截齒動態(tài)設(shè)計應(yīng)用中的內(nèi)容和步驟

(1)截齒結(jié)構(gòu)初步設(shè)計按照設(shè)計任務(wù)要求，從截齒結(jié)構(gòu)原理出發(fā)進行初步設(shè)計，繪制初步設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。

(2)應(yīng)用FEM對初步設(shè)計結(jié)果進行動態(tài)性能校核和修改．

①建立截齒力學(xué)模型根據(jù)截齒安裝方法的不同，截齒分為徑向截齒(即刀形截齒)和切向截齒(即鎬形截齒)。這里以徑向截齒為例。徑向截齒由刀頭和刀柄兩部分組成，其中刀頭由前面、后面、側(cè)面、主切削面和側(cè)切削面組成。根據(jù)徑向截齒的固定方法和結(jié)構(gòu)特點，整個結(jié)構(gòu)被簡化為齒柄固定，齒頭自由的懸臂梁結(jié)構(gòu)。

②建立截齒有限元模型為了提高精度和加強曲線邊界的適應(yīng)性，并結(jié)合采煤機截齒的尺寸特點，采用8節(jié)點等參塊單元進行有限元網(wǎng)格剖分。此單元是一個六面體，每一個面是平面或直母線的翹曲面。單元間在節(jié)點處鉸接，每一個單元有8個節(jié)點。根據(jù)計算精度的要求，不同的部位采用不同大小的單元，相應(yīng)單元網(wǎng)格的疏密程度也不相同。采煤機截齒的齒尖部分直接破碎煤體，它受到的沖擊和磨損也最大，也最容易遭到破壞，因此，對于截齒齒尖部分的單元要劃分得小一些、密一些。截齒齒尖的材料與刀頭的其他部分的材料不同，因此把這一分界線作為單元的邊界線。

截齒不同部分的位移和應(yīng)力的分布事先難于估計，首先以粗略的網(wǎng)格進行第1次計算，然后根據(jù)計算結(jié)果，調(diào)整網(wǎng)格的疏密程度，再進行第2次計算，直到滿足要求為止。

③計算截齒的固有頻率和振型與物理參數(shù)修改對采煤機截齒有限元模型進行模態(tài)分析，得到其各階固有頻率和固有振型。檢驗這些模態(tài)參數(shù)是否符合模態(tài)參數(shù)模型準(zhǔn)則，如各階固有頻率是否遠(yuǎn)離外部激勵頻率，對結(jié)構(gòu)振動貢獻(xiàn)較大的振型，應(yīng)保證其不影響結(jié)構(gòu)正常工作。如不滿足，通過特征靈敏度分析，求得修改質(zhì)量陣和剛度陣，由再分析的方法或重新求解特征值問題，得到修改后的固有頻率和振型，直到滿足要求為止。

④計算截齒的動態(tài)響應(yīng)與物理參數(shù)修改根據(jù)理論計算或經(jīng)驗預(yù)估結(jié)構(gòu)載荷，并由經(jīng)驗假設(shè)系統(tǒng)的阻尼，按上面得到的有限元模型計算系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，包括位移、速度、加速度、變形、應(yīng)力等，檢驗是否滿足響應(yīng)準(zhǔn)則(預(yù)設(shè)的安全要求)。如不滿足，通過響應(yīng)靈敏度分析修改有限元模型，得到修正質(zhì)量陣和修正剛度陣，重新計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)，直到滿足要求為止。此時可以制造截齒的實驗?zāi)Ｐ汀?/p>

(3)截齒實驗?zāi)B(tài)分析

對截齒實驗?zāi)Ｐ瓦M行模態(tài)實驗，得到實驗?zāi)B(tài)參數(shù)。檢驗實驗?zāi)B(tài)參數(shù)是否滿足模態(tài)參數(shù)準(zhǔn)則。若不滿足，通過特征靈敏度分析和再分析估計修改后結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，直至滿足要求為止。

(4)截齒結(jié)構(gòu)動態(tài)修改

由滿足要求的模態(tài)參數(shù)可繼續(xù)開展以下工作：①物理參數(shù)修改：結(jié)合實驗?zāi)B(tài)結(jié)果對由FEM得到的質(zhì)量陣、剛度陣求修改質(zhì)量陣和修改剛度陣，得到修改后的質(zhì)量陣、剛度陣；②物理參數(shù)識別：直接求解廣義逆特征值問題，求得、K、C；③載荷識別：根據(jù)實驗?zāi)B(tài)參數(shù)和響應(yīng)要求，估算系統(tǒng)的實際振動環(huán)境。

在上述3項工作的基礎(chǔ)上，通過FEM計算系統(tǒng)響應(yīng)，或者在修改截齒模型后實測系統(tǒng)響應(yīng)，檢驗是否滿足響應(yīng)準(zhǔn)則。如不滿足，需通過響應(yīng)靈敏度分析，修改截齒結(jié)構(gòu)和再分析，估算模態(tài)參數(shù)和響應(yīng)，直到滿足要求為止。

(5)截齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

在上述截齒動態(tài)修改工作中，一般只能得到物理參數(shù)的修改量。若以截齒參數(shù)(尺寸、形狀、材料性質(zhì)等)為設(shè)計變量進行優(yōu)化設(shè)計，可直接得到滿足動態(tài)要求的結(jié)構(gòu)形式。

(6)生產(chǎn)正式產(chǎn)品

滿足上述各步要求之后，截齒即可投人正式生產(chǎn)。

5結(jié)語

(1)模態(tài)分析為截齒的性能評估和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一個強有力的工具。其可靠的分析結(jié)果可以作為產(chǎn)品性能評估的有效標(biāo)準(zhǔn)，圍繞其結(jié)果開展的各種動態(tài)設(shè)計方法更使模態(tài)分析成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要基礎(chǔ)。有限元法模態(tài)分析和實驗?zāi)B(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計的基本方法。應(yīng)用這些方法，可以大大提高截齒的動態(tài)性能，縮短設(shè)計周期。

(2)采煤機截齒截割煤體時，截齒承受的外載荷是隨時問變化的動載荷。采煤機截齒在靜、動態(tài)載荷作用下的結(jié)構(gòu)特性具有很大的不同，必須對其進行模態(tài)分析和動態(tài)設(shè)計。

(3)截齒在工作過程中，與周圍的煤體長時間摩擦，會產(chǎn)生大量熱量，因此，在截齒的響應(yīng)計算中，還應(yīng)綜合考慮溫度應(yīng)力的作用。

(4)文中所述模態(tài)分析和動態(tài)設(shè)計的內(nèi)容和步驟，可為采煤機截齒的設(shè)計和生產(chǎn)部門提供參考，對一般復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計也有一定的借鑒作用。