序論：好文章的創(chuàng)作是一個(gè)不斷探索和完善的過(guò)程，我們?yōu)槟扑]一篇二自由度回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來(lái)更深刻的閱讀感受。

在煤礦的生產(chǎn)過(guò)程中掘進(jìn)和回采是兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，科學(xué)的機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)是保證煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)能、高效率的必要條件，也是國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)改革與發(fā)展的大方向［1］。大型掘進(jìn)機(jī)是用于不同巷道煤炭作業(yè)的專(zhuān)用工程機(jī)械，其主要功能有截割煤層、采集裝運(yùn)、行走支撐保護(hù)［2］。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)大型掘進(jìn)機(jī)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)一般僅在單一工況條件下進(jìn)行，缺少在實(shí)際工作環(huán)境中的綜合研究，特別是對(duì)主要元器件(例如回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu))設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)［3］。此外，我國(guó)自主研發(fā)的掘進(jìn)機(jī)之所以與國(guó)際相同類(lèi)型的產(chǎn)品存在較大技術(shù)代差，其中一個(gè)重要原因便是國(guó)內(nèi)缺乏相對(duì)完善的大型掘進(jìn)機(jī)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［4］。因此，不斷有學(xué)者針對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究。周開(kāi)平［5］通過(guò)分析EBZ220型懸臂式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在回轉(zhuǎn)擺動(dòng)和上下擺動(dòng)時(shí)的應(yīng)力模型，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)上的各鉸接點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，提高了液壓穩(wěn)定性。張理想等［6］利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力與形變位移分析，尋找裝載平臺(tái)結(jié)構(gòu)的缺陷，提升了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。閆剛［7］通過(guò)應(yīng)力和形變分析提出掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方案，降低了掘進(jìn)作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。為提高實(shí)際掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能，本研究根據(jù)大型掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)廠家的實(shí)際需求，圍繞掘進(jìn)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，分析回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的載荷分布情況，在Pro/Engineer軟件中對(duì)回轉(zhuǎn)支撐裝置進(jìn)行建模和分析，驗(yàn)證其運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和穩(wěn)定性，為更科學(xué)準(zhǔn)確地獲得大型掘進(jìn)機(jī)樣機(jī)所需的相關(guān)性能實(shí)驗(yàn)參數(shù)奠定基礎(chǔ)。

1相關(guān)方案設(shè)計(jì)

1．1整體設(shè)計(jì)要求

1．1．1整體結(jié)構(gòu)

圖1為二自由度回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖。根據(jù)生產(chǎn)廠家的實(shí)際需求，大型掘進(jìn)機(jī)承受的載荷［8］包括樣機(jī)質(zhì)量(90t)、承載板自質(zhì)量(20t)、動(dòng)載荷(20t);運(yùn)動(dòng)需求設(shè)計(jì)要求能夠?qū)崿F(xiàn)方案預(yù)期的向前、向后、向左、向右的擺動(dòng);在進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，方案設(shè)計(jì)的各部分構(gòu)建不能出現(xiàn)互相干擾現(xiàn)象，機(jī)器能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求符合國(guó)際理念，符合生產(chǎn)廠家的實(shí)際要求，能夠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

1．1．2掘進(jìn)機(jī)相關(guān)參數(shù)

EBZ300型掘進(jìn)機(jī)相關(guān)參數(shù)［9］見(jiàn)表1。1.2有限元模型的建立1．2．1模型建立運(yùn)用Pro/Engineer軟件對(duì)二自由度回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配模型構(gòu)建，將三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，再進(jìn)行優(yōu)化處理。進(jìn)行有限元分析時(shí)，應(yīng)采用簡(jiǎn)潔的原則。因?yàn)楸狙芯康闹攸c(diǎn)是二自由度回轉(zhuǎn)支撐裝置的回轉(zhuǎn)軸，所以在ANSYS軟件的模型中應(yīng)除去其他不必要的結(jié)構(gòu)，只保留回轉(zhuǎn)軸的裝配體與軸座。在進(jìn)行有限元分析時(shí)設(shè)定一個(gè)研究坐標(biāo)系:以二自由度回轉(zhuǎn)支撐裝置下部回轉(zhuǎn)軸的軸線方向?yàn)閄軸;以二自由度回轉(zhuǎn)支撐裝置上部回轉(zhuǎn)軸的軸線方向?yàn)閅軸;以二自由度回轉(zhuǎn)支撐裝置豎直方向?yàn)閆軸。ANSYS三維模型如圖2所示。1．2．2網(wǎng)格劃分在ANSYS軟件中對(duì)實(shí)體模型添加單元屬性(十字軸座的材料類(lèi)別為高碳鋼，泊松比為0．3，密度為7．8×103kg/m3，切變模量GX=0．794×1011Pa，彈性模量EX=1．8×1011Pa;兩條回轉(zhuǎn)軸材料類(lèi)別為45#鋼，彈性模量EX=2．1×1011Pa)，采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，結(jié)果見(jiàn)圖3。

1．3回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)性能分析

1．3．1靜力學(xué)分析

根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)三維模型施加約束條件與載荷時(shí)，必須依據(jù)二自由度回轉(zhuǎn)支撐裝置的現(xiàn)實(shí)工作情況進(jìn)行添加:X、Y、Z軸3個(gè)方向均被添加約束條件，有關(guān)表面需要添加一個(gè)面載荷。例如軸承與軸配合的面，其面載荷［10］σz=G1+G22Dl，(1)式中:σz為回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)軸的最大荷載，MPa;G1為實(shí)驗(yàn)機(jī)的重量，N;G2為整個(gè)承載板的重量，N;D為滑動(dòng)軸與上部回轉(zhuǎn)軸承接觸的圓柱部分直徑，m;l為滑動(dòng)軸與上部回轉(zhuǎn)軸承接觸部分的長(zhǎng)度，m。

1．3．2模態(tài)分析

共振是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可回避但可以避免的現(xiàn)象，使用ANSYS有限元軟件可以對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，從而有效預(yù)估設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。用模態(tài)分析求解基本方程即線性代數(shù)中的求解特征值［11］問(wèn)題:KΦi=ω2iMΦi，(2)式中:Φi為第i階模態(tài)的陣型向量;K為剛度矩陣;M為質(zhì)量矩陣;ωi為第i階模態(tài)的固有頻率。

1．3．3結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中軸頸處應(yīng)力集中，特別容易使軸發(fā)生斷裂失效。為了降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)添加過(guò)渡曲線的方式對(duì)十字回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本研究選擇了4種優(yōu)化方案(圖4)，過(guò)渡曲線分別為單圓弧、橢圓圓弧、相異直徑圓弧相切和圓弧－直線－圓弧，通過(guò)應(yīng)力分析篩選出最優(yōu)的過(guò)渡曲線

2結(jié)果與分析

2．1二自由度回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析

二自由度回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)圖5。設(shè)置載荷與約束，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，圖5(a)為三維模型載荷施加圖。將分析結(jié)果以圖5(b)應(yīng)力云圖的形式表現(xiàn)，分析色系分布，發(fā)現(xiàn)σmax發(fā)生在回轉(zhuǎn)軸軸肩處，最大應(yīng)力σmax=29MPa。45#鋼的屈服強(qiáng)度為［σs］=355MPa，由于σmax=291MPa＜［σs］，所以二自由度回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的兩條回轉(zhuǎn)軸滿足所需力學(xué)要求，符合基本安全要求。

2．2二自由度回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析

二自由度回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)圖6由圖6可知，前5階的固有頻率分別為495．25Hz、605．45Hz、784．22Hz、889．37Hz和1125．15Hz。截割頭的轉(zhuǎn)速ω截割頭=42r/min，切割電機(jī)額定轉(zhuǎn)速ω電=1470r/min，計(jì)算可得f截割頭=ω截割頭60=24．5Hz，f電=ω電60=0．7Hz，(3)式中:f截割頭為截割頭工作振動(dòng)頻率;f電為電動(dòng)機(jī)頻率。分析計(jì)算結(jié)果可得，切割電機(jī)與截割頭造成的激勵(lì)頻率小于1階頻率。因此，在實(shí)際工況下，二自由度回轉(zhuǎn)支撐裝置不會(huì)與外界激勵(lì)產(chǎn)生共振，此裝置在動(dòng)力學(xué)方面符合生產(chǎn)安全要求，且通過(guò)前5階模態(tài)分析可知其滿足安全要求，不需要再進(jìn)行5階以上的模態(tài)分析。

2．3回轉(zhuǎn)軸軸頸的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了使回轉(zhuǎn)軸軸頸處應(yīng)力降低，并提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和壽命，利用半查找法和黃金分割點(diǎn)法獲得各曲線的圓弧半徑，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS軟件中，得出不同過(guò)渡曲線的最大應(yīng)力，見(jiàn)表2。從表2可以看出，4種過(guò)渡曲線中，圓弧－直線－圓弧的最大應(yīng)力最小，所以采用圓弧－直線－圓弧曲線進(jìn)行優(yōu)化，得到軸的應(yīng)力云圖如圖7所示。從圖7可以看出，軸頸大部分區(qū)域應(yīng)力分布均勻，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

3結(jié)論

使用Pro/Engineer軟件對(duì)二自由度回轉(zhuǎn)支撐裝置進(jìn)行三維實(shí)體建模，并進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析，證明了回轉(zhuǎn)支撐裝置滿足安全要求。同時(shí)，利用應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)軸頸進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到結(jié)論如下:

(1)通過(guò)靜力學(xué)分析，證明了回轉(zhuǎn)支撐裝置滿足安全要求。

(2)通過(guò)模態(tài)分析，證明了回轉(zhuǎn)支撐裝置滿足安全要求。

(3)通過(guò)諧波響應(yīng)分析，證明了在危險(xiǎn)情況下組合軸承和回轉(zhuǎn)軸不會(huì)出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。

(4)過(guò)渡曲線為圓?。本€－圓弧時(shí)，軸頸部具有更好的抗應(yīng)力性能。

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作者:莊志忠 單位:福建船政交通職業(yè)學(xué)院 機(jī)械與智能制造學(xué)院