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1、采煤機電纜拖拽裝置傳動部件應力分析摘要：在采煤機工作過程中，圓環(huán)鏈作為采煤機電纜拖拽裝置的牽引構件，其性能優(yōu)劣將直接影響煤礦的煤炭產量。本文以圓環(huán)鏈為研究對象，結合實際工況，對圓環(huán)鏈的材料屬性進行定義，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，進行加載試驗，研究表明：隨著負載的增加，鏈條Mises應力基本呈線性趨勢增長；受力加載后鏈環(huán)的圓弧段所受應力較大，易產生斷裂及塑性變形問題，應定期對圓環(huán)鏈進行檢修，該研究對提高采煤機電纜拖拽系統工作效率提供理論依據。關鍵字：采煤機電纜；圓環(huán)鏈；有限元法；應力分析；中圖分類號： 文獻標識碼：Stress Anal
2、ysis 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 failur
3、e 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 wer
4、e 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 defor
5、mation 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、自動化和機械化的方向發(fā)展，采煤機運行狀況對企業(yè)煤炭生產效
6、率有著較大影響1。作為采煤機電纜拖拽裝置的牽引構件，圓環(huán)鏈應力值若達不到工作要求，會產生不同程度的形變，使得傳動過程不平穩(wěn)，進而導致采煤機電纜掉槽、拉斷和卡死，造成采煤機停機2，因此對采煤機電纜拖拽裝置傳動部件穩(wěn)定性進行研究變得尤為重要。國外對采煤機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自動拖纜裝置等3。但是對于拖拽裝置中的傳動鏈環(huán)的研究較少，圓環(huán)鏈在煤礦井下工作時不可避免的受到卡鏈、落煤沖擊等影響產生變形4，本文以圓環(huán)鏈為研究對象，結合實際工況，對圓環(huán)鏈的材料屬性進行定義，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
7、載荷，進行加載試驗，該研究可以有效提高采煤機的生產效率，在一定程度上減少綜采工作面事故，同時為采煤機電纜拖拽裝置的設計提供理論依據。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，是一種求解復雜工程問題的常用的方法5。有限元法包括：計算機程序設計技術；數學、力學理論依據；網格單元劃分的原則；數值計算方法及其誤差、穩(wěn)定性和收斂性。有限元法多以位移法為未知量6，依據材料的應力應變關系和幾何方程得到應力應變場。首先，將連續(xù)體或連續(xù)面分割成多個單元。其次，通過函數確定單元節(jié)點處的位移及應變狀態(tài)，并分析各個單元的應變情況。最后，求解應力應變的方程7。結合實際工況，本文對圓環(huán)鏈模型進行
8、簡化，加載不同載荷進行加載試驗，校核圓環(huán)鏈靜力學強度，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)產生塑性變形，定義模型為塑性材料23MnNiCrMo52，具體參數如表1所示。表 1 材料力學參數抗拉強度/MPa屈服應力/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雜程度，在不降低分析精度的前提下，對模型進行簡化處理，認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3/4鏈環(huán)，分別裝配在實驗鏈環(huán)的兩端，如圖2所示。圖中左側的金色鏈環(huán)為加載環(huán)，右側
9、的金色鏈環(huán)為固定環(huán)，綠色鏈環(huán)為實驗環(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約束與載荷在傳動過程中，鏈環(huán)之間的接觸比較復雜，由于本文分析的為靜力學問題，不包含速率和阻尼相關的性質，定義兩個鏈環(huán)圓弧段為完全彈性接觸，摩擦系數為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電纜拖拽裝置正常工作時，鏈條所受最大載荷約為65446N，為保證真實模擬鏈環(huán)運行過程中受到較大載荷時的安全性，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進行仿真試驗。2.3劃分網格網格質量
10、的好壞直接關系到分析結果的精度，以邊長為2 mm的正六面體網格單元對圓環(huán)鏈模型進行自由網格劃分，如圖 4 所示。圖4圓環(huán)鏈模型網格劃分3有限元結果分析Mises應力是基于剪切應變能的一種等效應力，服從畸變能密度理論。當Mises應力達到屈服應力值時材料屈服，其計算公式如下： （1）式中：1為第一主應力；2為第二主應力；3為第三主應力。圓環(huán)鏈抗拉安全系數為K，保證圓環(huán)鏈的抗拉安全系數大于1，圓環(huán)鏈不會發(fā)生塑性變形。K值計算公式如下： （2）式中：s為圓環(huán)鏈材料的屈服強度；r為圓環(huán)鏈中的Mises應力。3.1圓環(huán)鏈 Mises 應力分析在鏈環(huán)上分別施加70kN、105kN和140kN的載荷，仿真得
11、到的不同載荷條件下Mises應力云圖，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應力約為11MPa。圖5（b）中105kN載荷作用下Mises應力分布與70kN載荷下Mises應力分布基本相同，且最大應力點均出現鏈環(huán)直段外側，最小Mises應力約為18MPa。圖5（c）中140kN載荷作用下鏈環(huán)最小應力約為21MPa。對比圖5（a）、（b）、（c）可以看出，隨著負載的增加，鏈條Mises應力基本呈線性趨勢增長。鏈環(huán)的Mises應力由鏈環(huán)內側向外側逐漸減小，主要集中在鏈環(huán)的
12、內側。直線部分的Mises應力小于圓弧部分Mises應力，最小Mises應力值分布在圓環(huán)直線部分最外側。三種載荷下的 Mises 應力分布均呈現出鏈環(huán)外側應力較小，內側應力較大的規(guī)律，表明外加荷載只影響荷載作用區(qū)附近的應力分布，離荷載作用區(qū)稍遠的地方，僅與荷載的合力和合力矩有關。 3.2圓環(huán)鏈Mises應力點分析不同外加載荷條件下，實驗圓環(huán)鏈Mises應力云圖及最大應力點分布，如圖 6 所示?？梢钥闯觯琈ises應力的分布存在鏈環(huán)直線部分較小，圓弧部分較大，外側較小、內側較大的規(guī)律。在70kN載荷作用下，鏈環(huán)最大Mises應力為521.5MPa；105kN載荷作用下，最大Mises應力值為73
13、9.5MPa；140kN載荷作用下，鏈環(huán)最大應力為1003.5kN；最大Mises應力點分布在相鄰鏈環(huán)與圓環(huán)鏈圓弧接觸的內側。（a）70kN（b）105kN（c）140kN圖6 不同載荷下單個圓環(huán)鏈最大應力點及Mises應力云圖不同載荷條件下鏈條屈服強度安全系數，如表2所示，可以看出三種載荷下安全系數均大于1，滿足工程要求。表 2 不同載荷條件下鏈條屈服強度安全系數載荷條件s/Mpar/MpaK70kN1175521.52.253105kN1175739.51.589140kN11751003.51.171以在Y軸方向上的實際距離為圓環(huán)鏈的截距，沿圓環(huán)鏈內側中線取點，由于單個圓環(huán)具有幾何對稱關
14、系，因此僅對鏈環(huán)的一半進行Mises應力分析。三種載荷條件下，路徑上各點Mises應力曲線如圖7所示。圖7不同作用力下圓環(huán)鏈沿路徑處各點的Mises應力圖可以看出，在圓環(huán)鏈施加載荷后，圓環(huán)圓弧段與直段的交點處應力最?。粌涉湱h(huán)接觸部分Mises應力最大；沿路徑方向應力逐漸增大，圓環(huán)直段的Mises應力大于圓弧段與直段相交處的應力，比圓弧段應力大。綜合分析可知，在受力加載后鏈環(huán)的圓弧段所受應力較大，易產生斷裂及塑性變形問題。4結論本文以圓環(huán)鏈為研究對象，結合實際工況，對圓環(huán)鏈的材料屬性進行定義，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，進行加載試驗，得出
15、以下結論：（1）隨著負載的增加，鏈條Mises應力基本呈線性趨勢增長。鏈環(huán)的Mises應力由鏈環(huán)內側向外側逐漸減小，主要集中在鏈環(huán)的內側。直線部分的Mises應力小于圓弧部分Mises應力，最小Mises應力值分布在圓環(huán)直線部分最外側。（2）在70kN載荷作用下，鏈環(huán)最大Mises應力為521.5MPa；100kN負載下，最大Mises應力值為739.5MPa；140kN負載下，鏈環(huán)最大應力為1003.5kN。且最大Mises應力點分布在相鄰鏈環(huán)與圓環(huán)鏈圓弧接觸的內側。（3）三種載荷下安全系數均大于1，完全滿足工程要求；在受力加載后鏈環(huán)的圓弧段所受應力較大，易產生斷裂及塑性變形問題，應定期對圓
16、環(huán)鏈進行檢修。參考文獻1張新,白文瑩. 采煤機自動拖纜裝置的設計與應用J. 礦山機械,2015,43(04):141. 2張煒. 基于MSC.ADAMS的圓環(huán)鏈傳動系統的仿真分析J. 煤礦機械,2014,35(04):75-77. 3楊建華. 關于采煤機電纜拖曳方式的優(yōu)化改進措施分析J. 科技創(chuàng)新與應用,2014,(09):69. 4闞錦彪. 電牽引采煤機新型拖纜裝置的開發(fā)研制J. 煤礦機械,2014,35(03):123-125. 5魏文玉. 連續(xù)采煤機電纜拖拽裝置的研究與應用J. 陜西煤炭,2006,(01):36-37.6郝馳宇,閆鵬程,孫華剛,等. 基于RecurDyn的鏈傳動動力學故障仿真分析J. 機械傳動,2014,38(10):173-176. 7王躍清,田瑩. 圓環(huán)鏈鏈輪傳動力學模型的建立與計算方法J. 煤礦機械,2004,(05):6-9.
機械設計及其自動化專業(yè) 采煤機電纜拖拽裝置傳動部件應力分析
