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1、采煤机电缆拖拽装置传动部件应力分析采煤机电缆拖拽装置传动部件应力分析 摘要：在采煤机工作过程中，圆环链作为采煤机电缆拖拽装置的牵引构件，其性能优劣将干脆影响煤矿的煤炭产量。本文以圆环链为探讨对象，结合实际工况，对圆环链的材料属性进行定义，建立了圆环链的有限元分析模型。在圆环链上分别施加70kN，105kN和140kN载荷，进行加载试验，探讨表明：随着负载的增加，链条Mises应力基本呈线性趋势增长；受力加载后链环的圆弧段所受应力较大，易产生断裂及塑性变形问题，应定期对圆环链进行检修，该探讨对提高采煤机电缆拖拽系统工作效率供应理论依据。关键字：采煤机电缆；圆环链；有限元法；应力分析； 中图分类号
2、： 文献标识码： Stress Analysis of Transmission Components of Shearer Cable Dragging Device Abstract: 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 produ
3、ce 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
4、, 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 fract
5、ure 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 目前煤矿开采不断朝着智能化、自动化和机
6、械化的方向发展，采煤机运行状况对企业煤炭生产效率有着较大影响1。作为采煤机电缆拖拽装置的牵引构件，圆环链应力值若达不到工作要求，会产生不同程度的形变，使得传动过程不平稳，进而导致采煤机电缆掉槽、拉断和卡死，造成采煤机停机2，因此对采煤机电缆拖拽装置传动部件稳定性进行探讨变得尤为重要。国外对采煤机电缆拖拽装置的探讨较为成熟，包括液压绞车式电缆拖拽装置，电缆收放装置以及采煤机自动拖缆装置等3。但是对于拖拽装置中的传动链环的探讨较少，圆环链在煤矿井下工作时不行避开的受到卡链、落煤冲击等影响产生变形4，本文以圆环链为探讨对象，结合实际工况，对圆环链的材料属性进行定义，建立了圆环链的有限元分析模型。在圆
7、环链上分别施加70kN，105kN和140kN载荷，进行加载试验，该探讨可以有效提高采煤机的生产效率，在肯定程度上削减综采工作面事故，同时为采煤机电缆拖拽装置的设计供应理论依据。1有限元法的基本理论 有限元方法基于“化弧为直”、“化整为零”的思想，是一种求解困难工程问题的常用的方法5。有限元法包括：计算机程序设计技术；数学、力学理论依据；网格单元划分的原则；数值计算方法及其误差、稳定性和收敛性。有限元法多以位移法为未知量6，依据材料的应力应变关系和几何方程得到应力应变场。首先，将连续体或连续面分割成多个单元。其次，通过函数确定单元节点处的位移及应变状态，并分析各个单元的应变状况。最终，求解应力
8、应变的方程7。结合实际工况，本文对圆环链模型进行简化，加载不同载荷进行加载试验，校核圆环链静力学强度，有限元分析的流程，如图 1 所示。 图1有限元分析流程 2链条有限元模型建立 2.1材料属性 由于卡链、落煤冲击等因素的影响，使得链环产生塑性变形，定义模型为塑性材料23MnNiCrMo52，详细参数如表1所示。 表 1 材料力学参数 抗拉强度/MPa 屈服应力/MPa 切线模量/MPa 泊松比 弹性模量/GPa 1254 1175 2444 0.3 210 为了降低有限元分析的困难程度，在不降低分析精度的前提下，对模型进行简化处理，认为外表面为光滑的圆形，各横截面为半径相同的圆形。建立一个3
9、/4链环，分别装配在试验链环的两端，如图2所示。图中左侧的金色链环为加载环，右侧的金色链环为固定环，绿色链环为试验环，模拟圆环链静态受力。 图2圆环链有限元分析模型 2.2约束与载荷 在传动过程中，链环之间的接触比较困难，由于本文分析的为静力学问题，不包含速率和阻尼相关的性质，定义两个链环圆弧段为完全弹性接触，摩擦系数为0.35。在圆环链模型最右端的3/4链环上施加载荷，最左端的3/4链环施加全约束，如图3所示。 图3施加载荷模型图 采煤机电缆拖拽装置正常工作时，链条所受最大载荷约为65446N，为保证真实模拟链环运行过程中受到较大载荷时的平安性，仿真中施加的载荷要有大于工作所受最大载荷，因此
10、在圆环链上分别施加载荷70kN，105kN和140kN进行仿真试验。 2.3划分网格 网格质量的好坏干脆关系到分析结果的精度，以边长为2 mm的正六面体网格单元对圆环链模型进行自由网格划分，如图 4 所示。 图4圆环链模型网格划分 3有限元结果分析 Mises应力是基于剪切应变能的一种等效应力，听从畸变能密度理论。当Mises应力达到屈服应力值时材料屈服，其计算公式如下： （1） 式中：1为第一主应力；2为其次主应力；3为第三主应力。 圆环链抗拉平安系数为K，保证圆环链的抗拉平安系数大于1，圆环链不会发生塑性变形。K值计算公式如下： （2） 式中：s为圆环链材料的屈服强度；r为圆环链中的Mis
11、es应力。3.1圆环链 Mises 应力分析 在链环上分别施加70kN、105kN和140kN的载荷，仿真得到的不同载荷条件下Mises应力云图，如图5所示。 （a）70kN （b）105kN （c）140kN 图5不同载荷条件下有限元Mises应力云图 由图5（a）可知，在70kN载荷作用下，圆链环大部分区域Mises应力约为11MPa。图5（b）中105kN载荷作用下Mises应力分布与70kN载荷下Mises应力分布基本相同，且最大应力点均出现链环直段外侧，最小Mises应力约为18MPa。图5（c）中140kN载荷作用下链环最小应力约为21MPa。对比图5（a）、（b）、（c）可以看出
12、，随着负载的增加，链条Mises应力基本呈线性趋势增长。链环的Mises应力由链环内侧向外侧渐渐减小，主要集中在链环的内侧。直线部分的Mises应力小于圆弧部分Mises应力，最小Mises应力值分布在圆环直线部分最外侧。 三种载荷下的 Mises 应力分布均呈现出链环外侧应力较小，内侧应力较大的规律，表明外加荷载只影响荷载作用区旁边的应力分布，离荷载作用区稍远的地方，仅与荷载的合力和合力矩有关。 3.2圆环链Mises应力点分析 不同外加载荷条件下，试验圆环链Mises应力云图及最大应力点分布，如图 6 所示。可以看出，Mises应力的分布存在链环直线部分较小，圆弧部分较大，外侧较小、内侧较
13、大的规律。在70kN载荷作用下，链环最大Mises应力为521.5MPa；105kN载荷作用下，最大Mises应力值为739.5MPa；140kN载荷作用下，链环最大应力为1003.5kN；最大Mises应力点分布在相邻链环与圆环链圆弧接触的内侧。 （a）70kN （b）105kN （c）140kN 图6 不同载荷下单个圆环链最大应力点及Mises应力云图 不同载荷条件下链条屈服强度平安系数，如表2所示，可以看出三种载荷下平安系数均大于1，满意工程要求。 表 2 不同载荷条件下链条屈服强度平安系数 载荷条件 s/Mpa r/Mpa K 70kN 1175 521.5 2.253 105kN 1
14、175 739.5 1.589 140kN 1175 1003.5 1.171 以在Y轴方向上的实际距离为圆环链的截距，沿圆环链内侧中线取点，由于单个圆环具有几何对称关系，因此仅对链环的一半进行Mises应力分析。三种载荷条件下，路径上各点Mises应力曲线如图7所示。 图7不同作用力下圆环链沿路径处各点的Mises应力图 可以看出，在圆环链施加载荷后，圆环圆弧段与直段的交点处应力最小；两链环接触部分Mises应力最大；沿路径方向应力渐渐增大，圆环直段的Mises应力大于圆弧段与直段相交处的应力，比圆弧段应力大。综合分析可知，在受力加载后链环的圆弧段所受应力较大，易产生断裂及塑性变形问题。 4
15、结论 本文以圆环链为探讨对象，结合实际工况，对圆环链的材料属性进行定义，建立了圆环链的有限元分析模型。在圆环链上分别施加70kN，105kN和140kN载荷，进行加载试验，得出以下结论： （1）随着负载的增加，链条Mises应力基本呈线性趋势增长。链环的Mises应力由链环内侧向外侧渐渐减小，主要集中在链环的内侧。直线部分的Mises应力小于圆弧部分Mises应力，最小Mises应力值分布在圆环直线部分最外侧。（2）在70kN载荷作用下，链环最大Mises应力为521.5MPa；100kN负载下，最大Mises应力值为739.5MPa；140kN负载下，链环最大应力为1003.5kN。且最大M
16、ises应力点分布在相邻链环与圆环链圆弧接触的内侧。（3）三种载荷下平安系数均大于1，完全满意工程要求；在受力加载后链环的圆弧段所受应力较大，易产生断裂及塑性变形问题，应定期对圆环链进行检修。参考文献 1张新,白文莹. 采煤机自动拖缆装置的设计与应用J. 矿山机械,2015,43(04):141. 2张炜. 基于MSC.ADAMS的圆环链传动系统的仿真分析J. 煤矿机械,2014,35(04):75-77. 3杨建华. 关于采煤机电缆拖曳方式的优化改进措施分析J. 科技创新与应用,2014,(09):69. 4阚锦彪. 电牵引采煤机新型拖缆装置的开发研制J. 煤矿机械,2014,35(03):123-125. 5魏文玉. 连续采煤机电缆拖拽装置的探讨与应用J. 陕西煤炭,2006,(01):36-37. 6郝驰宇,闫鹏程,孙华刚,等. 基于RecurDyn的链传动动力学故障仿真分析J. 机械传动,2014,38(10):173-176. 7王跃清,田莹. 圆环链链轮传动力学模型的建立与计算方法J. 煤矿机械,2004,(05):6-9.