基于有限元与实测数据的掘进机回转台振动特性分析陈建伟

第2卷第2期采矿与岩层控制工程学报Vol.2No.22020年5月JOURNALOFMININGANDSTRATACONTROLENGINEERINGMay2020026032-1陈建伟.基于有限元与实测数据的掘进机回转台振动特性分析[J].采矿与岩层控制工程学报，2020，2(2)：026032.CHENJianwei.Analysisofroadheader'srotarytableonvibrationmodalbasedonfiniteelementmethodandtesteddata[J].JournalofMiningandStrataControlEngineering，2020，2(2)：026032.基于有限元与实测数据的掘进机回转台振动特性分析陈建伟(山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司，山西晋中045300)摘要：为探索掘进机振动特性的可靠分析方法，针对掘进机回转台因长期承受较大多变应力-应变而发生断裂的情况，研究了掘进机回转台的振动特性分析方法。将井下实测数据与仿真模型相结合，通过有限元软件，采用软件建模与实际载荷输入结合的方法，对掘进机回转台的振动特性进行分析。首先完成其在截割过程中的受力分析；并通过Pro/E与ADAMS建立掘进机回转台有限元模型，并对掘进机在巷道掘进过程中的载荷数据进行采集，将数据进行选取、处理与组合建立仿真载荷并将其导入模型，得到最接近实际工况的有限元模型；然后通过ADAMS进行振动模态分析，求解了掘进机回转台的前6阶固有频率、振型及振动响应的功率谱密度，同时开展了掘进机回转台的模态试验进行对比。结果表明，该分析方法与试验结果在振型与各阶频率上均保持一致，平均偏差仅为11.83%，最小偏差仅为为2.41%，并分析了出现偏差的原因，证明其可以对掘进机回转台结构修改与动力特性改善提供参考依据。关键词：掘进机；回转台；有限元；实测数据；振动；模态试验中图分类号：TD421.5文献标志码：A文章编号：2096-7187(2020)02-6032-09Analysisofroadheader'srotarytableonvibrationmodalbasedonfiniteelementmethodandtesteddataCHENJianwei(SijiazhuangCoalIndustryCo.Ltd.,Jinzhong045300,China)Abstract：Inordertofindatheroadheaderturretcharacteristicsmethod，thevibrationcharacteristicsofroadheaderturretwerestudiedinviewofthefractureofcantileverroadheaderturretduetolong-termbearingofmorevariablestressandstrain.Thispapercombinedthemeasureddatawiththesimulationmodel.Throughthefiniteelementsoftware，thevibrationcharacteristicsoftherotarytablewereanalyzedbycombiningthesoftwaremodelingwiththeactualloadinput.Firstly，theforceanalysisinthecuttingprocesswascompleted；thefiniteelementmodeloftherotarytablewasestablishedbyPro/EandADAMS，andthesimulatedloadwasestablishedbyselecting，processingandcombiningthemeasureddataoftheundergroundworkingcondition，andthenthefiniteelementmodelclosesttotheactualworkingconditionwasobtained；then，thevibrationmodalanalysiswascarriedoutbyADAMS，andthefirstsixnaturalfrequenciesandvibrationmodesoftherotarytableweresolved.Atthesametime，themodaltestoftheturntablewascarriedout.Theresultsshowthattheanalysismethodisingoodagreementwiththetestresults，themeanvariationis11.83%，theminimumisonly2.41%，andthereasonsforthedeviationwereanalyzed，whichprovedthatitcouldprovidereferenceforthestructuralmodificationanddynamiccharacteristicsimprovementofroadheaderturntable.收稿日期：2019-11-07修回日期：2019-12-02责任编辑：许书阁作者简介：陈建伟(1985—)，男，工程师，本科，主要从事煤矿智能化开采等方面的研究工作。E-mail：[e-mail]陈建伟等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.2(2020)：026032026032-2Keywords：roadheader；rotarytable；finiteelement；testeddata；vibration；modalexperiment随着新一代科技的快速发展与创新应用，促使我国的煤矿自动化、智能化水平不断提高。未来实现智慧煤矿是煤矿智能化发展的终极目标，是形成煤矿“完整智慧系统、全面智能运行、科学绿色开发”的全产业链运行新模式。掘进机广泛用于煤矿井下巷道的掘进工作，是煤矿井下巷道施工实现机械化的核心设备。掘进机在巷道掘进作业中时常产生较强的振动，引起掘进机振动的因素主要有截割头的切入与切出、不均匀的工作介质、煤岩硬度变化以及截割部分的煤岩形状不规则等。实际工况中，由复杂多变冲击载荷激励引起的掘进机机身振动常造成掘进机多种故障，因此对掘进机进行受力分析与模态分析是预测与控制振动危害的重要手段。掘进机截割过程中振动的激励载荷都直接作用于掘进机的截割臂上，再由截割臂传递给回转台和机身，掘进机回转台是连接截割臂和掘进机机身的结构件，因此在整个掘进机振动传递过程中，截割臂和回转台处在最为关键的环节，对掘进机回转台进行受力分析与模态分析有助于准确定位掘进机工作过程中影响整机稳定性、可靠性和工作寿命的薄弱环节，为薄弱部件的结构修改和动力特性改善提供参考依据，指导实际生产。目前，国内外关于掘进机各机构的振动特性分析的主要工作有：文献[8]建立了重型掘进机截割部刚柔耦合虚拟样机的振动模型，分析了截割头载荷，利用有限元软件对振动模型进行了振动仿真研究；文献[9]运用SolidWorks建立纵轴式掘进机整机的三维简化模型，并在ADAMS中对整机进行动力学分析；文献[10]对在实际工况下截割的掘进机进行了受力分析，建立了动力学方程，通过求解方程，求得工作情况下运动速度与驱动转矩的关系；文献[11-12]中基于虚拟样机对EBZ135型掘进机建立简化回转和截割机构模型并进行运动学仿真及动力学仿真，得出掘进机回转台的受力情况。以上研究均基于理论与仿真软件对掘进机各机构受力进行了分析，与掘进机在煤矿巷道内的实际工况仍有较大差别。近年来，随着模态分析理论的不断成熟及软件功能的提升，基于软件的振动模态分析方式较为简便，但由于缺少实测数据，得到的模态分析模型的准确性与实际工况有较大差距，鲜有文献将井下实际工况采集的数据应用于模态分析中。综上，笔者通过ProE与有限元软件建立掘进机回转台振动受力模型，根据实际工况下测得的掘进机振动数据，建立截割臂振动模型的仿真载荷，并在ADAMS中对掘进机回转台进行振动仿真，分析掘进机回转台的振动特性，并利用回转台的模态试验对其进行验证，得到可靠的掘进机振动分析方法，为掘进机回转台的结构与材料优化提供了理论基础与数据支撑。1结构与受力分析1.1回转台结构介绍回转台是掘进机连接截割臂和掘进机机身的结构件，其性能对整机的可靠性和稳定性有巨大影响。大部分悬臂式掘进机采用普通推拉液压缸式的回转台，此类回转台为铸造或焊接而成的回转体、回转支承及对称布置的2个回转液压缸组成，本文的研究对象EBZ-160型掘进机回转台结构如图1所示。回转油缸为回转台提供驱动力，使回转台进行回转运动，从而控制截割臂的摆动。回转台与机身采用回转轴承连接，掘进机回转台由于长期承受较大多变应力-应变而发生疲劳断裂。132图1普通推拉液压缸式回转台Fig.1Generalcylinderrotarytable1—回转体；2—回转支承；3—回转液压缸1.2受力分析掘进机回转台空间力学模型如图2所示，水平面内受力情况如图3所示。当回转台处于中间平衡位置时，η为回转台的摆角；F为回转液压缸1所受力，受力方向为液压缸1的轴向；F为回转液压缸2所受力，受力方向为液压缸2的轴向；L=1721.16mm为回转台回转中心到回转液压缸铰支点的距离；L，L分别为截割臂摆转角度η后回转液压缸1和回转液压缸2的长度，由图2分析可得。M1为截割臂沿在F作用下回转中心所形陈建伟等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.2(2020)：026032026032-3FFtFGFGFGyFGyFGxFGxFoxFoyMxMyFFtFozFoxMzFMFaFFaCDAGGZZZOOXXXG(G)GGRbbXYODDJ(J)JJhHhHhehYeeLMFtFFrFFFaxMFrFFtxααααθ图2回转台空间力学模型Fig.2SpatialmechanicalmodelofrotarytableηξFFLLγψrLOAB图3回转台水平面受力Fig.3Horizontalforcediagramoftherotarytable成的转矩为1(ccos)FrMFd(1)式中，d为回转台与截割臂铰支点到回转中心的水平距离。由式(1)可知，在截割力Fz一定情况下，当倾角δ=0°时，力矩M值达到最大，当δ=73°时，由余弦定理可得：22122222cos()cos()LrLrLLrLrL(2)当回转台转过η角后，在以掘进机回转台旋转中心O、回转液压缸左铰接点A与右铰接点B形成的△OAB中，运用正弦定理可得：12sin()arcsinsin()arcsinrLrL(3)假设掘进机回转台在绕回转中心旋转的过程中，处于匀速状态。掘进机回转台与掘进机机架接触力的方向均指向了回转台的几何中心，接触力对回转中心形成的力矩为0。由力矩平衡原理可知，回转液压缸提供的力对回转中心形成的力矩等于截割力Fz对回转中心形成的力矩M，由此可得：112sin()sin()MFrFr(4)因回转液压缸所提供的力等于由缸内压力与液压缸活塞作用面积的乘积且回转液压缸的支撑力与作用活塞面积成正比。设液压缸拉力作用面积S，推力作用面积S为活塞截面积，则有1112221()FPSSCFPSS(5)式中，P为回转液压缸内的压力；C为常数。将式(5)代入式(4)，可以得到11211sin()sin()sin()sin()FCMrCFMrC(6