機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè) 采煤機(jī)電纜拖拽裝置傳動(dòng)部件應(yīng)力分析

采煤機(jī)電纜拖拽裝置傳動(dòng)部件應(yīng)力分析摘要：在采煤機(jī)工作過程中，圓環(huán)鏈作為采煤機(jī)電纜拖拽裝置的牽引構(gòu)件，其性能優(yōu)劣將直接影響煤礦的煤炭產(chǎn)量。本文以圓環(huán)鏈為研究對象，結(jié)合實(shí)際工況，對圓環(huán)鏈的材料屬性進(jìn)行定義，建立了圓環(huán)鏈的有限元分析模型。在圓環(huán)鏈上分別施加70kN，105kN和140kN載荷，進(jìn)行加載試驗(yàn)，研究表明：隨著負(fù)載的增加，鏈條Mises應(yīng)力基本呈線性趨勢增長；受力加載后鏈環(huán)的圓弧段所受應(yīng)力較大，易產(chǎn)生斷裂及塑性變形問題，應(yīng)定期對圓環(huán)鏈進(jìn)行檢修，該研究對提高采煤機(jī)電纜拖拽系統(tǒng)工作效率提供理論依據(jù)。關(guān)鍵字：采煤機(jī)電纜；圓環(huán)鏈；有限元法；應(yīng)力分析；中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Stress Analysis of Transmission Components of Shearer Cable Dragging DeviceAbstract: As a towing device of shearer cable dragging device, the merits of circular chain will directly affect coal production in coal mines. In the process of shearer work, to ensure that the chain does not produce any form of failure has become particularly important. In this paper, the circular chain as the research object, combined with the actual conditions, the material properties of the circular chain is defined, the finite element analysis model of the circular chain is established. The loads of 70kN, 105kN and 140kN were respectively applied to the circular chain to carry out the loading test. The results show that the Mises stress of the chain increases linearly with the increase of the load. The stress on the circular arc of the chain increases with the increase of load Large, prone to fracture and plastic deformation problems, should be regularly carried out overhaul of the circular chain, the study to improve Shearer cable drag system work efficiency provides a theoretical basis.Key words: Shearer cable; circular chain; finite element method; stress analysis 0 引言目前煤礦開采不斷朝著智能化、自動(dòng)化和機(jī)械化的方向發(fā)展，采煤機(jī)運(yùn)行狀況對企業(yè)煤炭生產(chǎn)效率有著較大影響1。作為采煤機(jī)電纜拖拽裝置的牽引構(gòu)件，圓環(huán)鏈應(yīng)力值若達(dá)不到工作要求，會(huì)產(chǎn)生不同程度的形變，使得傳動(dòng)過程不平穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致采煤機(jī)電纜掉槽、拉斷和卡死，造成采煤機(jī)停機(jī)2，因此對采煤機(jī)電纜拖拽裝置傳動(dòng)部件穩(wěn)定性進(jìn)行研究變得尤為重要。國外對采煤機(jī)電纜拖拽裝置的研究較為成熟，包括液壓絞車式電纜拖拽裝置，電纜收放裝置以及采煤機(jī)自動(dòng)拖纜裝置等3。但是對于拖拽裝置中的傳動(dòng)鏈環(huán)的研究較少，圓環(huán)鏈在煤礦井下工作時(shí)不可避免的受到卡鏈、落煤沖擊等影響產(chǎn)生變形4，本文以圓環(huán)鏈為研究對象，結(jié)合實(shí)際工況，對圓環(huán)鏈的材料屬性進(jìn)行定義，建立了圓環(huán)鏈的有限元分析模型。在圓環(huán)鏈上分別施加70kN，105kN和140kN載荷，進(jìn)行加載試驗(yàn)，該研究可以有效提高采煤機(jī)的生產(chǎn)效率，在一定程度上減少綜采工作面事故，同時(shí)為采煤機(jī)電纜拖拽裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。1有限元法的基本理論有限元方法基于“化弧為直”、“化整為零”的思想，是一種求解復(fù)雜工程問題的常用的方法5。有限元法包括：計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)技術(shù)；數(shù)學(xué)、力學(xué)理論依據(jù)；網(wǎng)格單元?jiǎng)澐值脑瓌t；數(shù)值計(jì)算方法及其誤差、穩(wěn)定性和收斂性。有限元法多以位移法為未知量6，依據(jù)材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和幾何方程得到應(yīng)力應(yīng)變場。首先，將連續(xù)體或連續(xù)面分割成多個(gè)單元。其次，通過函數(shù)確定單元節(jié)點(diǎn)處的位移及應(yīng)變狀態(tài)，并分析各個(gè)單元的應(yīng)變情況。最后，求解應(yīng)力應(yīng)變的方程7。結(jié)合實(shí)際工況，本文對圓環(huán)鏈模型進(jìn)行簡化，加載不同載荷進(jìn)行加載試驗(yàn)，校核圓環(huán)鏈靜力學(xué)強(qiáng)度，有限元分析的流程，如圖 1 所示。圖1有限元分析流程2鏈條有限元模型建立2.1材料屬性由于卡鏈、落煤沖擊等因素的影響，使得鏈環(huán)產(chǎn)生塑性變形，定義模型為塑性材料23MnNiCrMo52，具體參數(shù)如表1所示。表 1 材料力學(xué)參數(shù)抗拉強(qiáng)度/MPa屈服應(yīng)力/MPa切線模量/MPa泊松比彈性模量/GPa1254117524440.3210為了降低有限元分析的復(fù)雜程度，在不降低分析精度的前提下，對模型進(jìn)行簡化處理，認(rèn)為外表面為光滑的圓形，各橫截面為半徑相同的圓形。建立一個(gè)3/4鏈環(huán)，分別裝配在實(shí)驗(yàn)鏈環(huán)的兩端，如圖2所示。圖中左側(cè)的金色鏈環(huán)為加載環(huán)，右側(cè)的金色鏈環(huán)為固定環(huán)，綠色鏈環(huán)為實(shí)驗(yàn)環(huán)，模擬圓環(huán)鏈靜態(tài)受力。圖2圓環(huán)鏈有限元分析模型2.2約束與載荷在傳動(dòng)過程中，鏈環(huán)之間的接觸比較復(fù)雜，由于本文分析的為靜力學(xué)問題，不包含速率和阻尼相關(guān)的性質(zhì)，定義兩個(gè)鏈環(huán)圓弧段為完全彈性接觸，摩擦系數(shù)為0.35。在圓環(huán)鏈模型最右端的3/4鏈環(huán)上施加載荷，最左端的3/4鏈環(huán)施加全約束，如圖3所示。圖3施加載荷模型圖采煤機(jī)電纜拖拽裝置正常工作時(shí)，鏈條所受最大載荷約為65446N，為保證真實(shí)模擬鏈環(huán)運(yùn)行過程中受到較大載荷時(shí)的安全性，仿真中施加的載荷要有大于工作所受最大載荷，因此在圓環(huán)鏈上分別施加載荷70kN，105kN和140kN進(jìn)行仿真試驗(yàn)。2.3劃分網(wǎng)格網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到分析結(jié)果的精度，以邊長為2 mm的正六面體網(wǎng)格單元對圓環(huán)鏈模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，如圖 4 所示。圖4圓環(huán)鏈模型網(wǎng)格劃分3有限元結(jié)果分析Mises應(yīng)力是基于剪切應(yīng)變能的一種等效應(yīng)力，服從畸變能密度理論。當(dāng)Mises應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力值時(shí)材料屈服，其計(jì)算公式如下： （1）式中：1為第一主應(yīng)力；2為第二主應(yīng)力；3為第三主應(yīng)力。圓環(huán)鏈抗拉安全系數(shù)為K，保證圓環(huán)鏈的抗拉安全系數(shù)大于1，圓環(huán)鏈不會(huì)發(fā)生塑性變形。K值計(jì)算公式如下： （2）式中：s為圓環(huán)鏈材料的屈服強(qiáng)度；r為圓環(huán)鏈中的Mises應(yīng)力。3.1圓環(huán)鏈 Mises 應(yīng)力分析在鏈環(huán)上分別施加70kN、105kN和140kN的載荷，仿真得到的不同載荷條件下Mises應(yīng)力云圖，如圖5所示。（a）70kN（b）105kN（c）140kN圖5不同載荷條件下有限元Mises應(yīng)力云圖由圖5（a）可知，在70kN載荷作用下，圓鏈環(huán)大部分區(qū)域Mises應(yīng)力約為11MPa。圖5（b）中105kN載荷作用下Mises應(yīng)力分布與70kN載荷下Mises應(yīng)力分布基本相同，且最大應(yīng)力點(diǎn)均出現(xiàn)鏈環(huán)直段外側(cè)，最小Mises應(yīng)力約為18MPa。圖5（c）中140kN載荷作用下鏈環(huán)最小應(yīng)力約為21MPa。對比圖5（a）、（b）、（c）可以看出，隨著負(fù)載的增加，鏈條Mises應(yīng)力基本呈線性趨勢增長。鏈環(huán)的Mises應(yīng)力由鏈環(huán)內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸減小，主要集中在鏈環(huán)的內(nèi)側(cè)。直線部分的Mises應(yīng)力小于圓弧部分Mises應(yīng)力，最小Mises應(yīng)力值分布在圓環(huán)直線部分最外側(cè)。三種載荷下的 Mises 應(yīng)力分布均呈現(xiàn)出鏈環(huán)外側(cè)應(yīng)力較小，內(nèi)側(cè)應(yīng)力較大的規(guī)律，表明外加荷載只影響荷載作用區(qū)附近的應(yīng)力分布，離荷載作用區(qū)稍遠(yuǎn)的地方，僅與荷載的合力和合力矩有關(guān)。 3.2圓環(huán)鏈Mises應(yīng)力點(diǎn)分析不同外加載荷條件下，實(shí)驗(yàn)圓環(huán)鏈Mises應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力點(diǎn)分布，如圖 6 所示?？梢钥闯?，Mises應(yīng)力的分布存在鏈環(huán)直線部分較小，圓弧部分較大，外側(cè)較小、內(nèi)側(cè)較大的規(guī)律。在70kN載荷作用下，鏈環(huán)最大Mises應(yīng)力為521.5MPa；105kN載荷作用下，最大Mises應(yīng)力值為739.5MPa；140kN載荷作用下，鏈環(huán)最大應(yīng)力為1003.5kN；最大Mises應(yīng)力點(diǎn)分布在相鄰鏈環(huán)與圓環(huán)鏈圓弧接觸的內(nèi)側(cè)。（a）70kN（b）105kN（c）140kN圖6 不同載荷下單個(gè)圓環(huán)鏈最大應(yīng)力點(diǎn)及Mises應(yīng)力云圖不同載荷條件下鏈條屈服強(qiáng)度安全系數(shù)，如表2所示，可以看出三種載荷下安全系數(shù)均大于1，滿足工程要求。表 2 不同載荷條件下鏈條屈服強(qiáng)度安全系數(shù)載荷條件s/Mpar/MpaK70kN1175521.52.253105kN1175739.51.589140kN11751003.51.171以在Y軸方向上的實(shí)際距離為圓環(huán)鏈的截距，沿圓環(huán)鏈內(nèi)側(cè)中線取點(diǎn)，由于單個(gè)圓環(huán)具有幾何對稱關(guān)系，因此僅對鏈環(huán)的一半進(jìn)行Mises應(yīng)力分析。三種載荷條件下，路徑上各點(diǎn)Mises應(yīng)力曲線如圖7所示。圖7不同作用力下圓環(huán)鏈沿路徑處各點(diǎn)的Mises應(yīng)力圖可以看出，在圓環(huán)鏈?zhǔn)┘虞d荷后，圓環(huán)圓弧段與直段的交點(diǎn)處應(yīng)力最?。粌涉湱h(huán)接觸部分Mises應(yīng)力最大；沿路徑方向應(yīng)力逐漸增大，圓環(huán)直段的Mises應(yīng)力大于圓弧段與直段相交處的應(yīng)力，比圓弧段應(yīng)力大。綜合分析可知，在受力加載后鏈環(huán)的圓弧段所受應(yīng)力較大，易產(chǎn)生斷裂及塑性變形問題。4結(jié)論本文以圓環(huán)鏈為研究對象，結(jié)合實(shí)際工況，對圓環(huán)鏈的材料屬性進(jìn)行定義，建立了圓環(huán)鏈的有限元分析模型。在圓環(huán)鏈上分別施加70kN，105kN和140kN載荷，進(jìn)行加載試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：（1）隨著負(fù)載的增加，鏈條Mises應(yīng)力基本呈線性趨勢增長。鏈環(huán)的Mises應(yīng)力由鏈環(huán)內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸減小，主要集中在鏈環(huán)的內(nèi)側(cè)。直線部分的Mises應(yīng)力小于圓弧部分Mises應(yīng)力，最小Mises應(yīng)力值分布在圓環(huán)直線部分最外側(cè)。（2）在70kN載荷作用下，鏈環(huán)最大Mises應(yīng)力為521.5MPa；100kN負(fù)載下，最大Mises應(yīng)力值為739.5MPa；140kN負(fù)載下，鏈環(huán)最大應(yīng)力為1003.5kN。且最大Mises應(yīng)力點(diǎn)分布在相鄰鏈環(huán)與圓環(huán)鏈圓弧接觸的內(nèi)側(cè)。（3）三種載荷下安全系數(shù)均大于1，完全滿足工程要求；在受力加載后鏈環(huán)的圓弧段所受應(yīng)力較大，易產(chǎn)生斷裂及塑性變形問題，應(yīng)定期對圓環(huán)鏈進(jìn)行檢修。參考文獻(xiàn)1張新,白文瑩. 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