基于Adams的采煤机牵引机构动力学分析及结构优化_刘青宜.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0440前言采煤机承担着煤矿的开采工作，因开采工作面环境复杂、情况多变，设备易多发故障。牵引部是采煤机的行走执行机构，负责采煤机整体行走移动，在运行过程中，受外在载荷冲击，极易引发内部轮齿断裂磨损。所以采煤机牵引机构的正常运行是煤矿企业正常生产的必要保障。随着近些年计算机及软件技术的快速发展，各类仿真软件在科研机构和机械制造和使用企业得以广泛应用。针对正在使用中的关键设备进行建模及动力学分析，能够从整体出发，全面评估和分析，找到问题根源，提出优化改进方案。利用Adams软件，对采煤机建立虚拟机动力学模型，并对牵引机构进行仿真动力学分析，得出采煤机动力学分析结果。依据牵引机构各部件的动力学分析，并采用遗传算法选取最优参数，提出行走轮及销排参数的优化方案，为采煤机部件的优化提供了理论支持。1采煤机组成结构采煤机是煤炭企业综采生产系统的主要设备，以双滚筒采煤机为例，主要部件包括左右切割滚筒、左右摇臂、左右牵引部和电气箱。其结构图如图1所示。按功能可分为截割部、牵引部、电气系统及辅助系统。其中牵引部由传动装置和牵引机构组成，负责采煤机的往复行进移动，牵引结构以齿轮-销排型为主。*河南省教育科学“十四五”规划2021年度课题（2021YB0742）基于 Adams 的采煤机牵引机构动力学分析及结构优化*刘青宜1，张志峰2，王宁3（1.许昌职业技术学院，河南 许昌461000；2.郑州轻工业大学，郑州450002；3.河南钜控消防技术有限公司，河南许昌461000）摘要：采煤机的牵引部作为采煤机的执行机构，在往复牵引采煤机行走的过程中，载荷波动剧烈，轮齿负载过大，易造成轮齿断裂缺口，设备损坏。针对其牵引机构受力复杂情况，用Adams及相关软件，对采煤机建立虚拟机模型，依据模型对其牵引机构进行了动力学分析，针对行走轮与销排受力分析，采用遗传算法迭代选取最优参数，并以此参数更改原模型进行动力学分析。仿真实验证明，与原模型相比，优化后行走轮齿根部应力减小了15%，轮表面接触应力减小了12.5%，应力的降低减轻了行走轮与销排的磨损，确保了采煤机的安全作业。关键词：采煤机；Adams；遗传算法；动力学中图分类号：TD421文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 187 03Dynamic Analysis and Structural Optimization of Shearer TractionMechanism Based on AdamsLIU Qingyi1，ZHANG Zhifeng2，WANG Ning3(1.Xuchang Vocational Technical College,Xuchang 461000,China；2.Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,China；3.Henan Jukong Fire Technology Co.,Ltd.,Xuchang 461000,China)Abstract:As the executive mechanism of the shearer,the traction part of the shearer fluctuatesviolently in the process of reciprocating traction of the shearer,and the load on the teeth is too large,which is easy to cause tooth fracture and notch and equipment damage.In view of the complex force ofits traction mechanism.Using Adams and related software,the virtual machine model of shearer isestablished,and the dynamic analysis of its traction mechanism is carried out according to the model.For the force analysis of walking wheel and pin row,the genetic algorithm is used to iteratively selectthe optimal parameters,and the original model is changed with this parameter for dynamic analysis.The simulation results show that compared with the original model,the optimized walking gear rootstress is reduced by 15%,the wheel surface contact stress is reduced by 12.5%,the reduction of stressreduces the wear of walking wheel and pin row,and ensures the safe operation of shearer.Key words:shearer；Adams；genetic algorithm；dynamics187第42卷第02期基于Adams的采煤机牵引机构动力学分析及结构优化刘青宜，等Vol.42 No.02图1采煤机结构图1.滚筒2.摇臂3.牵引部4.电气控制箱2采煤机虚拟机建模采用UG建立各部件模型，然后导入Adams软件，通过对材料赋值，添加约束、接触及驱动，选择求解器并设置仿真参数进行动力学仿真。Adams是一款机械系统静力、动力、运动学分析CAD软件，其仿真基本流程如图2所示。图2仿真流程图结合采煤机牵引机构参数，通过UG软件首先对牵引部各部件如齿轮、一二级行星架、滑靴进行建模装配，如图3所示。图3采煤机牵引机构模型图采煤机其他系统建模，过程类似牵引系统建模，在整机建模的过程中，为了节省算力和时间，从而提高仿真精度，将不必要的零部件进行了简化，只保留了机身、滚筒、摇臂、牵引系统。采煤机各部件三维建模后，在UG中对模型进行装配及干涉检测。建好的模型以Parasolid格式导出并导入Adams的View模块中，对每个部件创建各自的part，并对各part按照相应材料参数进行赋值，完成的整机虚拟模型如图4所示。图4采煤机虚拟机模型图3采煤机牵引机构动力学分析在View模块，对牵引机构各部件根据相互运动关系添加相应约束，各部件设定约束如表1所示。表1各部件运动副明细表牵引部部件材料均为钢，依据Adams推荐接触系数指标，行走轮、导向滑靴及销排之间静摩擦因数设定为0.7，动摩擦因数设定为0.57。通过Adams函数Impact计算齿轮接触力Q=Max0，H（q0-q）e-Cdqdth（q，q0-dc，1，q0，0）（1）式中H刚度系数，N/m；q0接触面参考距离，m；q接触物体实际距离，m；e刚性力指数；C阻尼率，Ns/m；dq/dt速度，m/s；h（）接触物体距离的阶跃性过渡函数；dc阻尼率达到最大时的距离，m。在Adams中通过STEP函数对电机轴旋转副添加驱动：STEP（time，0，0，0.2，8 850）即电机轴从00.2 s，电机角速度由0达到并保持8 850（）/s。结合牵引机构部件属性及运动方式，选用GSTIFF求解器并采用SI2积分方式进行仿真，设置仿真求解参数，综合考虑仿真求解时间和精度，将仿真步长定为0.000 1 s，求解时间定为5 s。仿真结束之后，在Adams的后处理模块PostProcessor中，可以清晰地获取仿真数据结果。在完成对采煤机牵引部对仿真后，从中可以得到牵引部各级齿轮部件的仿真转速数据，与采煤机的设计理论数据相比，如表2所示。仿真数据与采煤机理论数据误差较小，仿真数据真实有效。表2各齿轮部件仿真数据与设计数据对比表通过对采煤机牵引机构进行仿真动力学分析，其行走轮受力情况如图5所示。由图5可知，在采煤机截割工作时，行走轮牵引力周期性波动。通过对其受力频谱分析，当其频率处于啮合频率或其倍数时，行走轮的啮合力较大，且在58倍倍频时，受力均高于其在啮合频率的啮合力。此时由于行走轮与销排啮入、啮出使行走轮受到冲击更大。部件电机轴-牵引箱齿轮2-牵引箱一级太阳轮-内齿圈二级太阳轮-内齿圈二级行星架-花键外齿轮1-牵引箱行走轮-牵引箱平滑靴-牵引箱运动副形式旋转副旋转副旋转副旋转副固定副旋转副旋转副旋转副部件内齿圈-牵引箱齿轮3-牵引箱一级行星轮-一级行星架二级行星轮-二级行星架花键-齿轮3惰轮-牵引箱导向滑靴销排-大地运动副形式固定副旋转副旋转副旋转副固定副旋转副旋转副固定副1234模型建立模型检测模型验证模型定义仿真准备优化设计智能设计针对实物建立模型施加力定义构件查看特征曲线建立及动画数据输入比较数据曲线部件柔化、施加摩擦力定义并使用函数添加模型参数定义设计变量可能对变量影响因素调节优化及实验设计创建用户窗口创建命令便于操作部件电机轴太阳轮一级行星架二级行星架行走轮理论数据/rmin-11 4751 0622527458仿真数据/rmin-11 4751 04524775.356.5差异/%01.62.01.82.6188（a）行走轮牵引力曲线（b）行走轮牵引力频谱曲线图5采煤机牵引机构行走轮牵引力图4采煤机牵引机构优化通过行走轮与销排啮合动力学分析，行走轮作为采煤机的行走部件，其承载巨大的负荷，当行走轮轮齿在节圆处啮入、啮出时，行走轮处于单齿承载，轮齿根部受到应力较大，易导致轮齿节圆处受力过大磨损破裂。针对此问题，通过多体动力学对轮齿面部及根部进行受力分析，采用遗传算法对进行改进优化，在约束范围内，确定应力最小值，获取最优牵引机构参数。其优化数学模型minF（X）F（x1，x2xn）gi（X）gi（x1，x2xn）i=（x1，x2xn）T（2）式中F（X）设计变量目标函数；X设计变量；gi（X）状态变量，即约束函数。牵引机构原设定参数为行走轮46.8 mm，销排节距147 mm，啮合中心距257.4 mm，销排斜线倾角79。将采煤机牵引机构优化目标函数确定为行走轮模数、行走轮与销排中心距及销排斜线倾角，行走轮、销排结构参数优化函数F（X）D1，D2，D3（3）式中D1行走轮齿面应力值，D1260 MPa；D2行走轮齿跟应力值，D2700 MPa；D3行走轮与销排接触力波动系数，D30.24。初始种群个体设置为500，迭代次数设置为10，每次迭代生成新一代种群为500，允许最大误差为2%，寻找最优解，选取前3组最优参数的均值作为拟优化参数，如表3所示。表3优化参数表以此均值代替原模型行走轮、销排的参数，修改并带入Adams进行多体力学分析，与原模型数据对比，在同一啮合周期内，行走轮应力对比数据如表4所示。优化后，行走轮轮齿根部应力减小了15%，齿轮表面接触应力减小了12.5%。达到了整机运行受力平稳，延长行走轮使用周期的目标。表4优化前后行走轮应力对比表5结语采煤机通过在UG建立三维模型，并导入Adams软件进行仿真动力学分析，对牵引机构添加约束和接触，添加驱动，选用GSTIFF求解器中SI2积分方式进行仿真，设置仿真参数，通过Adams软件后处理，得到虚拟机各部件运行数据。其数据与采煤机理论参数基本一致，证明了虚拟机建模的正确。采用多体力学结合遗传算法对行走轮与销排结构参数进行优化选择，并通过优化后的仿真数据与原模型数据比对，行走轮齿根部应力减小了15%，齿轮表面接触应力减小了12.5%，降低了行走轮应力和磨损