掘进机星轮装载机构的模拟研究

摘要

掘进机通过装载机构来对物料进行装载，通过将掘进机截割部破碎下来的煤炭或者岩土耙装到铲板中央的运输机构来实现装载过程。装载机构的工作效率直接影响掘进机的整体工作性能。研究可靠而高效的装载机构对于提高掘进机的生产能力非常重要。
　　本文使用UG建立了星轮装载机构的三维实体模型，利用PFC3D内嵌的FISH语言编写STL到PFC3D软件的接口转换程序，将UG中转换好的STL模型文件导入到PFC3D中，从而实现了在PFC3D散体分析软件中建立星轮装载机构模型。
　　通过散体力学相关理论，对星轮轮齿拨动物料做了力学分析，建立了星轮轮齿拨动物料的力学模型以及数学模型，通过介绍离散元颗粒法的接触模型，建立了物料的粘、弹性模型，提出了星轮的轮齿在推动散体物料的过程中任意散体质点的动力学模型以及相应的动力学方程。根据不同形状星轮轮齿对物料的受力不同的特点，通过受力分析对直齿星轮，凹面弧形星轮以及凸型星轮的受力进行了比较。确定了星轮在装载过程中转速的合理范围，通过动力学分析软件Workbench得到星轮装载机构的应力应变云图以及振型图。
　　利用散体模拟软件PFC3D得到不同齿数的直齿和弧形齿星轮的装载效率曲线，并且比较了不同宽度铲板和不同直径星轮对装载效率的影响。利用数值分析的方法，将星轮轮齿坐标离散数据公式化，利用最小二乘曲线拟合的方法拟合出星轮轮齿形状。考虑到星轮装载机构传统的设计过程主要依靠经验，计算结果难以达到最优解，同时也造成额外的能量消耗，往往会导致浪费生产成本，降低机械效率，本文建立了掘进机星轮装载机构的优化设计数学模型，利用MATLAB遗传算法工具箱，绘制出遗传过程中各代适应度值线图，使得星轮装载机构的设计更趋于合理，从而为掘进机星轮的设计提供了理论参考和借鉴。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 掘进机国内外研究现状

1．2 掘进机装载机构的研究

1．3 研究目的和意义

1．4 本文研究内容和方法

1．5 本章小结

第二章 散体与离散元理论

2．1 散体简介

2．2 三维颗粒流程序PFC3D

2．3 PFC3D的基本假设

2．4 PFC的基本原理介绍

2．5 PFC3D离散元方法的求解步骤

2．6 本章小结

第三章 星轮装载物料载荷模拟

3．1 星轮装载物料的力学分析

3．2 星轮装载机构载荷的数学模型

3．3 PFC3D建模仿真及分析

3．3．1 DEM散体模型

3．3．2 星轮拨动物料的动力学模型

3．4 星轮轮齿装载物料受力的模拟分析

3．4．1 各种星轮结构的受力分析

3．4．2 装载过程载荷模拟

3．4．3 UG导入PFC3D程序

3．4．4 PFC3D煤炭颗粒散体的建立

3．5 本章小结

第四章 星轮装载效率分析

4．1 星轮装载机构转速的确定

4．1．1 装载物料过程的运动学模型

4．1．2 星轮不共振转速的确定

4．2 物料深度对星轮装载效率的影响

4．3 PFC3D仿真星轮装载机构的的装载效率

4．4 本章小结

第五章 星轮优化设计

5．1 星轮轮齿的形状分析

5．2 星轮轮齿的形状的曲线拟合

5．3 星轮装载机构整体优化设计

5．3．1 星轮优化设计数学模型的建立

5．3．2 适应度函数的构造

5．3．3 遗传算法简介

5．3．4 优化计算结果

5．4 星轮轮齿齿尖的优化设计

5．5 本章小结

第六章 工作总结和展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文