EBZ220掘进机叉形架载荷、应力应变分析及结构改进研究

摘要

在煤炭工业中，掘进和回采是煤矿生产的重要环节，巷道的快速掘进是煤矿保证矿井稳产高产的关键技术措施，采掘技术及其装备水平直接关系到煤矿生产的能力和安全。悬臂式掘进机是煤矿井下巷道施工的主要掘进设备，作为其重要组成部件的叉形架，承载整个截割部并与回转台、升降油缸相连接，受力复杂多变。由于掘进机工作环境恶劣，工作任务艰巨且维修不便，在掘进机作业时，若叉形架失效，则掘进机整机将无法正常工作，这必将严重影响工作效率，对企业造成很大的经济损失。因此，有必要结合现代仿真手段对叉形架进行分析，并针对原有设计的薄弱区进行结构改进，提高掘进机整机的工作稳定性及可靠性。
　　 本文主要以多体机械系统动力学和弹性动力学为基础理论，针对掘进机三种典型工况，对叉形架动力学特性进行研究。首先，应用三维造型软件UG建立了掘进机关键零部件实体模型，然后进行了整机虚拟装配和模型简化。将实体模型导入ADAMS/View环境下，建立了整机刚体动力学模型，通过对该虚拟样机模型进行运动学及多刚体动力学试分析，验证了采用多刚体动力学对叉形架进行分析的方法不妥。
　　 通过导入有限元分析软件ANSYS中生成的叉形架模态中性文件，在ADAMS/View环境下建立了掘进机整机刚柔耦合虚拟样机模型。根据掘进机的实际工作环境，模拟了三种典型工况（左右横摆截割、上下摆动截割、钻进），通过对整机进行刚柔耦合动力学分析，得到了叉形架各铰结点载荷、叉形架柔性体应力变形动画及关键点应力时间历程曲线。分析表明，叉形架与升降油缸连接孔附近区域强度相对薄弱。
　　 在本文的最后对叉形架结构薄弱区的结构改进进行了尝试，并对改进后的叉形架进行了再分析。
　　 掘进机刚柔耦合动力学分析的研究方法使得整机在设计阶段就可通过建立虚拟样机模型、模拟实际工况进行仿真研究，得到叉形架动态特性时间历程，对叉形架等部件的产品质量和疲劳寿命较早做出预测。同时，该方法也可为工程机械、建筑机械等领域的动态特性研究提供借鉴。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 掘进机国内外发展及叉形架研究现状

1．2．1 掘进机国内外发展

1．2．2 叉形架研究现状

1．3 本论文的研究内容和意义

1．3．1 本论文研究的主要内容

1．3．2 本论文研究的意义

1．4 本章小结

第二章 截割头载荷模型的建立

2．1 截齿载荷模型

2．1．1 截齿受力分析

2．1．2 截齿载荷计算

2．1．3 截齿受力辅助计算程序

2．2 截割头载荷模型

2．2．1 截割头受力分析

2．2．2 截割头受力计算

2．3 本章小结

第三章 整机虚拟样机模型建立及多刚体动力学试分析

3．1 虚拟样机技术简介

3．1．1 虚拟样机技术的基本概念

3．1．2 虚拟样机技术的应用与特点

3．1．3 ADAMS软件简介

3．2 掘进机整机三维模型的建立

3．2．1 UG软件简介

3．2．2 整机关键零部件实体模式的建立

3．2．3 整机实体模型的建立

3．3 掘进机整机虚拟样机的建立

3．3．1 将整机实体模型导入ADAMS环境

3．3．2 创建约束并施加驱动

3．3．3 掘进机整机虚拟样机建立

3．4 掘进机整机多刚体动力学试分析

3．4．1 整机运动学分析

3．4．2 整机多刚体动力学试分析

3．5 本章小结

第四章 刚柔耦合动力学基础理论及整机刚柔耦合模型的建立

4．1 刚柔耦合动力学基础理论

4．1．1 模态的涵义

4．1．2 模态集成法

4．2 整机刚柔耦合模型的建立

4．2．1 叉形架模态中性文件的生成

4．2．2 叉形架模态中性文件的校验

4．2．3 整机刚柔耦合模型的建立

4．3 本章小结

第五章 整机刚柔耦合动力学分析

5．1 掘进机典型工况提取

5．1．1 掘进机掘进作业程序

5．1．2 掘进机典型工况提取

5．2 左右横摆截割工况仿真

5．2．1 α=45°向左横摆截割

5．2．1 α=45°向右横摆截割

5．2．3 α=0°向左横摆截割

5．2．4 α=0°向右横摆截割

5．2．5 α=-28°向左横摆截割

5．2．6 α=-28°向右横摆截割

5．3 上下摆动截割工况仿真

5．3．1 β=-36°向上摆动截割

5．3．2 β=36°向下摆动截割

5．4 钻进工况仿真

5．5 叉形架结构改进

5．5．1 叉形架结构的修改

5．5．2 修改后模型动力学分析

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文