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论文方法写作-基于UG的采煤机摇臂传动系统的建模与分析
时间:2021-04-24 12:17:47

  采煤机是集机械、电、液压等多种技术方面为一体的大型系统,用于在恶劣环境中进行资源采集。近年来,随着科技的急速发展,对于采煤机在高产高效采集方面的要求越来越高,而由于工作环境恶劣,实际观测难以进行,故另辟蹊径,采用虚拟样机建模软件进行仿真研究,对工作过程进行模拟,进而分析其动态特性。采煤机整机较为复杂,其中采煤机的摇臂是极其重要的装置之一,在十分恶劣的工作环境之中,很容易会受到各个方面的冲击,影响其工作性能和寿命。若可通过虚拟样机进行建模及仿真,可以研究其工作过程中容易出现问题的部分,便可对采煤机摇臂减速系统进行改进,故本研究针对采煤机的摇臂部分进行分析研究。为了更加深入地研究采煤机的摇臂传动系统,采用虚拟样机技术,对采煤机摇臂进行三维实体建模。通过利用三维UG软件建立摇臂的传动系统和壳体的模型,进行运动学仿真,观察运行过程中的齿轮运转,认识了解采煤机摇臂传动系统的整体运行过程及原理,并通过调查研究,结合建模仿真,分析采煤机的摇臂传动系统容易产生的故障。分析结果可加深初入机械行业的个人对大型复杂环境下工作的采煤设备的设计思路与理论认知,便于以后深入学习相关方面的知识,从而进行更胜一筹的结构设计及产品优化,亦对研究除采煤机外的其余通过齿轮传动进行动力传送的机械设备有了更深层次的了解。

  煤炭是我国的主体能源,在我国经济社会发展中具有重要的战略地位。现如今煤炭行业生产逐渐集约化,为了大幅减轻工人的劳动程度以及低效性,采煤机应运而生。作为现代化矿井安全、高效生产的主要机械设备,采煤机正受到越来越多的关注。其中最为重要的摇臂部分采用齿轮传动系统,工作时依靠摇臂上下摆动实现对不同高度煤炭的切割,在工作过程中摇臂不仅要频繁摆动,而且要承受截割机构在综采作业时的振动和冲击,因此摇臂是采煤机中极易发生损坏的一个部件,一旦摇臂出现故障,将严重影响煤矿井下的综采作业,给煤炭生产企业造成较大的经济损失。因此,摇臂故障能否良好运转将直接影响采煤机的生产率、传动效率、能耗和使用寿命。分析和掌握摇臂传动系统的组成,对于整个系统的优化设计、强度校核、故障诊断与预测试验结果起着很重要的作用。[1]

  通过采用虚拟样机技术,即三维建模软件UG建立采煤机摇臂传动系统的虚拟样机模型,并将各部分零件装配成完整的摇臂传动系统,便可以研究摇臂传动系统的组成结构以及运动情况。进行各方面观察及分析,观测运行过程中出现的不稳定运行时的条件并加以改进。分析结果为采煤机的结构设计提供理论依据,有利于加大采煤机制造业的前进步伐。

  1.2国内外研究现状

  1.国外研究现状

  链式采煤机是由英国和苏联在上世纪40年代初研发的。这种采煤机通过截链来进行落煤,截煤刀具安装在截链上,这也是最早的截齿。虽然一定程度了改变了煤炭开采方式,但工作效率难以让人满意,同时德国研制出了刨煤机,这种采煤机采用刨削方式进行落煤。滚筒式采煤机出现在50年代初,采用截煤滚简来实现装煤和落煤。60年代后,随着当时生产力的发展以及对煤炭资源的需求量大大增加,要求对采煤机进行变革。英国、前苏联、德国和法国先后对滚简式采煤机做出关键性的改进。其是为了增加采煤机对煤层厚度的适应性,让滚筒能够调整截割高度;其二是使用螺旋滚筒,这种滚简由于采用螺旋叶片,使得其装煤能力得到了很大的提升。70年代,综采机械化得到了进一步发展和提高,发展方向是:大功率、高产、高可靠性、高自控性以及高智能性,相维出现功率达800?-1000kw无链牵引系统的采煤机,配有总功率达900~1000kw输送距离达到500m的可弯曲刮板输送机,以及工作阻力大于1000N能快速移动的液压支架。这一时期牵引驱动力依靠的是液压系统,这种系统本身存在着很多问题。因此,采用电牵引驱动的电牵引采煤机的研发势在必行。80年代出现的电牵引采煤机,大大改善了采煤机的工作性能和煤层适应能力,1980以后,为适应高产高效综采工作面发展和大型矿井集约化生产的需要,一-大批高性能、高可靠性的大功率采煤机相继问世,其中,最具代表性的有英国安德森的Eiectra系列,德国艾柯夫的SL系列,美国乔依的LS系列和日本三井三池的MCLE-DR系列电牵采煤机,这些采煤机也代表着当今世界电牵引采煤机的发展方向。目前为止,国外对于采煤机截割部的研究多为针对截割部的几个关键零部件的研究,主要集中在截齿、螺旋滚筒和传动机构上。

  Dewangan等通过对比多种不同截齿在截割不同特性的煤岩过程中的裂纹扩展、齿面温度热量情况以及截齿的切削性能,对截齿截割煤岩过程中的磨损机理进行了研究。对于螺旋滚筒,1984年Khair建立了旋转截割实验台,研究了滚筒截割煤岩过程中滚筒截深、牵引速度等参数对截割性能的影响。1986年Devilder基于此旋转截割实验台,研究了滚筒截割煤岩的粒度尺寸与截齿类型、截距和截深之间的关系对不同截割参数下滚筒截割煤岩产生的粉尘量进行了实验,发现当截齿尺寸较大且截深较大时,粉尘量较少。2000年Addala分析了截割参数和截齿几何尺寸参数对于截割过程中粉尘量和截割比能耗的影响,他指出截齿几何尺寸越大,不仅产生的粉尘量少而且在截割过程中的截割比能耗也会下降。2003年Venkataman进一步探讨了滚筒的转速和牵引速度对粉尘量和截割比能耗的影响。

  2.国内研究现状

  1988年上海交通大学通过分析采煤机摇臂结构及受力特征,采用有限元方法研究了摇臂刚度和强度。2005年廉自生建立了采煤机摇臂传动系统的三维模型,并运用ADAMS动力学软件研究了摇臂传动系统的运动学和动力学特性。随者计算机科学的快速发展,计算机的性能得到大幅度的提高,同时这一时期大型仿真软件也得到了全面的快速发展,代表性的有ADAMS205的出现,使得对采煤机整机的全方面深入的研究成为可能。2005年,刘楷安在ADAMS中对摇臂进行了模态分析,同时提取ADAMS中的载荷,对摇臂进行了静力学分析和模态分析,比较了ADAMS和ANSYS软件模态分析的结果,分析了造成差别的原因,从而验证了AMAMS软件分析结果的正确性。2011年赵丽娟利用ADAMS/Vibration模块对截割部进行振动分析,识别出截割部模态参数以及容易被激发的振型。结合滚简转速、硫化铁包裹体尺寸以及截齿排列形式,识别出引起截割部较大振动的截齿位置。为裁割部薄弱环节以及截齿的优化提供了理论依据9。2006年,纪玉祥利用UG建立了采煤机的虚拟样机模型,分析了整机的负载特性,并用ADAMS对整机进行了运动学和动力学分析网。进入2009年,随着协同仿真技术的成熟以及各CAE软件间接口的完善,多软件的协同仿真成为了可能。如2010年,郭冬梅应用ProE、ANSYS和ADAMS建立了采煤机整机的刚性虚拟样机模型,通过动力学仿真编辑生成了关键零部件的外载荷文件。导入ANSY'S中,进行有限元分析,充分发挥了ADAMS的多刚体仿真以及ANSYS的有限元分析能力强的优势2008年赵丽娟,屈岳雷,谐波等基于摇臂的三维模型,将其导入ADAMS中通过约束的添加进行动力学的仿真分析,最终得出摇臂壳体的瞬态动力学响应;2009年周娟利基于多刚体动力学的理论知识,在SolidWorks中建立采煤机的三维模型,然后导入CosmosMotion动力学分析的软件中进行施加载荷,最终得到了采煤机摇臂的性能特点与其动力学特性的变化情况;2012年林杭利用Pro/E建立了摇臂的三维模型,然后导入ANSYS中对其进行固有模态的分析,并对结果进行分析,提供了关键的作用,有效地减轻设计人员的劳动强度,很大程度上提升了电牵引采煤机设计过程的规范化和精确度,加快了产品更新换代的速度,并有利于采煤机设计知识的积累与共享。

  1.3本论文主要研究内容

  全文主要工作内容如下:

  (1)采用UG对采煤机的摇臂传动系统的各个零件进行具体的虚拟样机模型建立。

  (2)用UG建立摇臂壳体的三维模型,并对其进行装配测试。

  (3)最终将各部分零件装配成完整的摇臂传动系统。摇臂传动系统应该包含壳体,侧护板,顶护板,电机护罩,各轴组件,惰轮组件以及行星轮系等。

  (4)装配过程中应该注意各零件之间的干涉检查,最终形成的整体模型可进行运动学仿真,并能根据输入的数据及要求,仿照实际机构正常运作。

  第二章采煤机摇臂传动系统组成结构及工作原理

  2.1引言

  本章节主要介绍采煤机摇臂传动系统组成及运行机制。首先介绍采煤机摇臂传动系统的组成结构,接着介绍其在采煤机整机运作过程中所起到的作用,最后根据组成结构来介绍其传动原理,即如何实现其作用。

  2.2采煤机摇臂传动系统的组成结构

  选取某牵引方式为电牵引,驱动方式为多电机,总体结构为横向布置的采煤机,分析其摇臂系统。电牵引采煤机的摇臂系统分为左右两个摇臂,内部结构基本相同,除了壳体,电机护罩,侧护板等,其余零件均可互换。摇臂系统升降由调高油缸来控制,冷却装置位于壳体内第一传动轴的底部,用来冷却箱体内的油液。摇臂传动系统主要是由输入轴齿轮、第一级传动轴、第二级传动轴、各个变速齿轮以及行星轮系等组成。其位置安排如下图2.1所示。

  图2.1

  某型号采煤机摇臂组成

  2.3采煤机摇臂传动系统的作用

  采煤机工作过程中,需要将煤炭源源不断地从矿石中截割下来,故需要将电机的扭矩传递给截割滚筒,使其转动截煤。根据T=9550*p/n,此时便需要用到摇臂减速系统,通过各个齿轮的相互啮合,以及同轴的齿轮通过改变模数,逐渐减速,并将各个轴之间联系起来,最终传递到截割滚筒,达到降低转速、增加扭矩的目的,从而对截割滚筒的技术要求达到满足。另一方面,在截煤过程中,电牵引采煤机对于采煤高度具有一定的要求,根据现场的实际情况而定。故摇臂的另一个作用,是通过改变调高油缸的行程,从而使得摇臂升或降,使得截割滚筒达到适合的位置范围内,且不会大幅度的上下波动。

  2.4对采煤机摇臂内部结构的改造

  结合查阅资料中的摇臂结构[3]对上述采煤机进行修改,采用多一级的齿轮传动,后第一级行星轮系改为三行星齿轮,新增第二级行星轮系带有四行星齿轮,尝试使用多级行星轮系减速器对摇臂内部结构进行优化。

  2.5采煤机摇臂传动系统的工作原理

  主要工作原理(传递扭矩以及减速):

  在采煤机工作时,由截割电机负责输送扭矩。截割电机通过输入轴传递扭矩,从而带动第二级、第三级传动齿轮,第三级传动齿轮通过与其用平键联接的变速齿轮轴将动力传递给第一级行星减速机构的太阳轮,其通过花键连接在一起,从而驱动第一级行星减速机构的太阳轮转动,太阳轮带动安装在行星架上的3个行星齿轮,行星齿轮又与一个固定的内齿轮相啮合,这样就带动行星架转动,行星架的转动使第二级的太阳轮旋转,这样动力传递给第二级行星减速机构,行星架上的齿带动安装于二级行星架上的4个二级行星齿轮,行星齿轮又与固定的内齿轮相啮合,这样就带动二级行星架转动,摇臂的连接法兰用花键连接在二级行星架上,行星架的转动就带动连接法兰旋转。滚筒是通过本身的方形法兰结构固定在摇臂的连接法兰上的。整个系统之中,用齿轮传递动力,要求相连的两个齿轮必须啮合,其条件为两个齿轮之间的模数、压力角相等。在齿轮传动的过程中,相啮合的两个齿轮之间,用小齿轮带动大齿轮的方式,由于小齿轮齿数较少,而相啮合的两个齿轮之间模数相同,故当小齿轮转动时,齿数较多的大齿轮转速小于小齿轮,故可使互相啮合的两个齿轮中的大齿轮减速。同轴的两个齿轮之间,通过增大模数的方式,改变齿轮的齿形,达到逐级减速的效果。行星齿轮中的太阳轮通过与周围的行星齿轮啮合,使与行星齿轮连接的行星架转动,而行星架转速低于太阳轮,故行星架输出的转速降低。

  次要工作原理(摇臂升降原理及冷却装置):

  摇臂升降:调高油缸由活塞杆、法兰、油缸体、导向套等组成,如图。当调高油缸工作时,油液从两侧进入缸体,并作用于活塞,使得活塞杆向两侧运动,从而改变了摇臂的高度,得以适应工作需求。液压锁布置在调高油缸侧面,主要由单向阀、平衡阀、安全锁和油缸4部分组成。该设计下,液压锁不仅能够保证摇臂能够固定在任一位置,还能实现过载保护的作用,,使调高油缸在发生供油管破裂或其他事敌时,保证采煤机摇臂固定,不会掉落,同时,当采煤机的滚简受到冲击或过载时,通过安全阀将油缸内的压力卸载,进而保护调高油缸的安全稳定.最后,液压锁内还设有平衡阀,能够保证采煤机摇臂动态平衡,避免在才没过程中发生抖动,影响正常生产。

  冷却装置:当采煤机在工作时,在摇臂齿轮箱内有与截割电机直接连接的第一传动轴以及变速齿轮等转速较高的零件。使得摇臂内部油温温升升高,故在内部设有冷却装置,用于降低油温。

  2.5本章小结

  本章主要是对采煤机的摇臂传动系统进行查阅资料以及整理之后得到的相关认识,包括以下几点:某型号采煤机摇臂的内部组成结构,由与截割电机直接相连的输入轴,多个变速齿轮,各级传动齿轮以及行星轮系组成,最终通过行星架输出扭矩至滚筒。采煤机工作时摇臂所起到的作用,不仅起到支撑截割滚筒,让其在要求的位置上运行,而且通过齿轮减速机构,起到了动力传送的作用。最后介绍了摇臂可起到作用的工作原理,由小齿轮带动大齿轮,使用行星轮系,使得转速减小,扭矩增大。

  第三章基于UG的采煤机摇臂零件建模及装配

  3.1软件简介

  UG(UnigraphicsNX)是SiemensPLMSoftware公司出品的一个产品工程解决方案,它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。NX包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。NX具有高性能的机械设计和制图功能,为制造设计提供了高性能和灵活性,以满足客户设计任何复杂产品的需要。UG是西门子针对虚拟产品设计和设计要求产生了经过验证的解决方案,为汽车和UG软件交通、航空航天、消费品、常用机械,电子行业通过其虚拟产品开发的概念提供多极化、集成、企业级的解决方案包括软件产品和服务。用户使用UG强大的实体建模,CAE模块可用于有限元分析和操作的表面建模、虚拟装配和创建工程图,提高的可靠性分析和仿真设计;根据建立3D模型,CAM模块也可直接生成数控代码,用于产品加工。UGNX采用基于产品的设计优化技术和过程知识工程的结合。软件可以为各种规模的企业提供可衡量的价值。能够使企业的产品更快的进入市场;能够简化复杂的产品设计和分析;能够有效的降低企业的生产成本,提高企业的市场竞争力。[9]

  3.2摇臂传动系统零件建模

  3.2.1齿轮传动系统建模

  齿轮建模过程:齿轮建模由于齿数较多,不便于每次都使用参数化方式或阵列等方法进行操作,实在是太过复杂繁琐,且具有较大的误差。而UG最新版含有直接绘制齿轮模型的建模方法,只需要通过输入齿轮的齿数、模数、齿宽、压力角等等数据,便可直接生成齿轮,方法简便。

  齿轮啮合过程:分别建立好两个齿轮之后,可以通过使用齿轮建模中的齿轮啮合功能,选择其中一个为主动轮,另外一个为驱动轮,便可使选中的两个齿轮在其中心线相连的方向上相互啮合。

  齿轮传动系统总共由以下几部分,截割电机的输入轴齿轮1,与之齿轮啮合的是变速齿轮1,与变速齿轮1相啮合的是第一级齿轮,同轴的是变速齿轮2,变速齿轮2啮合变速齿轮3,变速齿轮3与第二级齿轮同轴,传递动力至变速齿轮4,后接与太阳轮同轴的齿轮,太阳轮又与4个行星轮啮合,4个行星轮由外部的行星架固定,行星架外接第二级太阳轮,同理将动力传递给第二级行星减速机构,最终到达滚筒。整体如下图3.1所示。[3]

  图3.1摇臂减速系统建模

  3.3采煤机摇臂传动系统零件装配

  方法选择:UG中装配方法较多,可系统地归为以下三种:自顶向下、由底向上、混合装配。采煤机摇臂装配过程中选择使用自底向上的装配方法,即先对零部件进行建模,而后进行装配。

  具体过程:首先对输入轴齿轮、各变速齿轮、各级齿轮、太阳轮、行星轮以及截割电机等部件分别进行装配,而后引入摇臂外壳,完成整个摇臂减速系统的装配,如下图所示。

  3.4采煤机摇臂传动系统模型的干涉检查以及简化

  在建模完成之后,为了保证最终完成的装配体的各个零部件之间的配合的正确性,必须要进行一步干涉检查。UG中自带有该分析功能。由于采煤机的摇臂传动系统包含的零部件个数较多,在一次干涉检查中找出全部干涉部位是不可能的,但只要出现错误提示,就要分析其原因,干涉分析的结果有利于设计单位对不符合装配要求的地方进行重新设计,避免直接生产物理样机而带来的损失,对于保证后续虚拟样机模型仿真与分析的正确性也是必不可少的。只有虚拟样机装配正确,才能保证仿真的可靠性。

  摇臂传动系统装置简化:由于在本次研究中,仅对采煤机的摇臂进行运动学仿真,故忽略掉前文所讲的冷却装置以及调高油缸机构,这部分装置对进行仿真的影响十分微弱,并不对其进行建模以及后续仿真。在齿轮建模方面,仅仅对齿轮整体建模,保证其最终运行效果,并未对其进行倒角。在截割电机、行星架等方面采用简单易懂的设计,方便观察其运动效果。

  3.5本章小结

  本章对某型号采煤机的摇臂传动系统在UG软件上进行了建模与装配。首先对各个零件进行了建模,通过输入参数直接生成齿轮建模,在齿轮啮合过程中选择主动与从动确定了工作时的递进方向,最终为了便于观察实际的运转而进行的对冷却装置以及调高油缸等不重要部分的简化。

  第四章采煤机摇臂传动系统的运动学仿真

  4.1引言

  本章主要是对采煤机摇臂传动系统的建模进行运动学仿真,用以验证前一章所建立的虚拟样机模型的正确性。

  4.2虚拟样机模型的运动学仿真

  大学期间所学的仿真包括以下几种:

  (1)装配仿真。用以检查系统约束的合理性。

  (2)运动学仿真。用以模拟系统的实际运行情况,确定系统中模块的运动范围,其中不考虑力的作用,直接在仿真过程中添加运行速度,从而模拟实际情况。

  (3)动力学仿真。与运动学仿真类似,但更加具有实际意义。动力学仿真考虑力的作用,可以用于求解本模型系统的位移、速度、加速度,也可以针对各个零件,求解其在仿真过程中的受力情况。

  4.3摇臂减速系统的运动学仿真过程

  整个运动学仿真可分为以下几个部分:

  (1)进入运动仿真,并设置连杆。建模以及装配完成后,对各个相邻零件添加约束。选择工具模块之中的运动模块,选择新建运动仿真,接着便可添加连杆。

  (2)给运动部分添加运动副。本次添加的运动副包含固定副、旋转副以及齿轮耦合副等等,其中齿轮耦合副需要将各个模块之间通过输入各个零件的数据信息,导入两个运动副之间的齿轮耦合副。

  (3)给驱动部分设置驱动。所有约束以及运动副添加完成后,将输入轴的旋转副设置为驱动副,并设定一个驱动(运动学仿真可直接设定速度、位移或加速度,本次设定为恒定速度,使整个系统恒速运行),用以带动与之相连的各个齿轮以及杆。

  (4)设置求解方案。进行解算方案的设定,如重力方向,重力加速度大小等等。通过选择适合的方案,便于最后一步的观察。

  (5)求解。以上各个工作都完成之后,最终便可以进行求解。还可通过插入标记,观测实际的运动情况。观测完毕之后最后,可将动画以及各个运动副的运动分析图导出。

  4.4小结

  在仿真的过程中,会出现由于操作不当而引发的问题。找到问与题发生相关的运动副或连杆,进行重新定义。本次操作遇到的问题有由于定义旋转副时选取的点不是实际的圆形点而产生的误差问题,在运动仿真时提示“filenotfound”而无法仿真的问题,均可通过重新操作而得到解决。最终生成运动的实际情况,验证了前一章所建立的虚拟样机模型的正确性。

  第五章结论与展望

  5.1工作总结

  本文对采煤机的摇臂传动系统进行了深入认识,通过建模以及运动学仿真,对摇臂减速箱的工作情况有了更加深入的了解。通过查阅资料,寻找了相关的多种采煤机型号,并选取其中利于建模仿真的一种进行分析了解。之后使用UG软件,对各个齿轮零件进行建模,装配成型,最终进行运动学仿真,得到了实际运动的动画以及运动分析图。在本次课题的研究中主要完成了以下工作:

  (1)查阅了大量文献,对采煤机的摇臂传动系统进行了深入的了解,其中包括摇臂系统的工作环境,采煤机摇臂传送系统的内部组成,采煤机整机运行过程中摇臂起到的作用,以及之所以能完成工作的工作原理。之后对摇臂减速系统的齿轮工作时容易产生的问题进行了认识,对本课题的研究具有指导性的作用。

  (2)在UG中完成了对某型号的采煤机摇臂传动系统的建模与装配,并对其进行动力学仿真,最终导出相关的动画以及运动分析图。

  5.2主要结论

  本文基于UG,完成了对采煤机的摇臂传动系统进行三维模型的建立的工作,并通过仿真求解器进行求解。通过结合查阅的资料,最终得到了以下结论:

  基于采煤机摇臂传动系统的仿真分析以及相关资料的查阅,得到了齿轮部件的强度要求。在采煤机的额定工况下,摇臂内部的各个齿轮以及行星架等均能满足强度要求。