基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭模態(tài)分析1

1、基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭模態(tài)分析1    摘 要：為了研究橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭的振動(dòng)特性，在Pro/E 中建立了該型掘進(jìn)機(jī)截割頭的三維實(shí)體模型，利用Mechanism/pro 將模型映射到Adams 環(huán)境下的模型添加驅(qū)動(dòng)載荷，確保映射到運(yùn)動(dòng)模型中的約束及驅(qū)動(dòng)滿足運(yùn)動(dòng)要求。然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，最后在PostProcessing 中分析所得結(jié)果，繪制各階段模態(tài)坐標(biāo)圖、二維和三維頻響圖，得出了該掘進(jìn)機(jī)截割頭的模態(tài)振型特征的分析結(jié)果，為改進(jìn)截割頭的設(shè)計(jì)、提高其設(shè)計(jì)質(zhì)量、完善掘進(jìn)機(jī)的截割性能提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：橫軸式掘進(jìn)機(jī)；截割頭；Adams；模態(tài)分析

2、；仿真中圖分類號(hào)：TD421.5+2；TP391.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0 引言截割頭是掘進(jìn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)的核心部件1。在截割過程中，由于受力不斷變化，致使截割頭的載荷變化很大。這些變化的載荷成為了掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)的主要原因，產(chǎn)生的振動(dòng)使截割頭和截齒均存在不同程度的振動(dòng)及磨損。因此，本文將采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)橫軸式掘進(jìn)機(jī)的截割頭進(jìn)行模態(tài)分析，利用Adams/vibration 分析截割頭的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以獲得其模態(tài)振型，研究結(jié)果可為設(shè)計(jì)橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭提供合理的依據(jù)。1 虛擬樣機(jī)建立1.1 橫軸式掘進(jìn)機(jī)三維實(shí)體模型由Pro/E 建立一個(gè)兩條螺旋葉片，頭體長(zhǎng)1205mm,直徑為625mm，36 個(gè)截齒的橫軸

3、式掘進(jìn)機(jī)截割頭的三維實(shí)體模型2。用Pro/ENGINEER 的參數(shù)功能建立設(shè)計(jì)參數(shù)，然后由Pro/TooLKIT 應(yīng)用程序檢索出模型的設(shè)計(jì)參數(shù)（見圖1），由參數(shù)提供的編輯功能和根據(jù)新的設(shè)計(jì)參數(shù)再生三維模型，基于Pro/E 的變量化設(shè)計(jì)和實(shí)體造型技術(shù)，生成三維裝配模型如圖2 所示。圖1 截割頭參數(shù)化設(shè)計(jì)的對(duì)話框 圖2 橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭模型更新后的三維裝配模型Fig.1 Dialogue of cuttinghead parameteric Fig.2 Model update of three-dimensional horizontaldesign roadheader cutting he

4、ad model of assembly1.2 模型導(dǎo)入Adams1本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：59774033)、國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局安全生產(chǎn)科技發(fā)展指導(dǎo)性計(jì)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：05-082)、遼寧省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2007T068)、遼寧省大型工礦裝備實(shí)驗(yàn)研究中心(遼寧省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)開放基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：07-61)、遼寧省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局安全生產(chǎn)科技發(fā)展(遼安監(jiān)規(guī)劃200988 號(hào)文)和遼寧省大型工礦裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(遼寧省第二批科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目,2008403010) 的資助。-2-利用接口軟件Mechanism/pro 在Pro/E 環(huán)境下對(duì)整機(jī)模型裝配體

5、定義剛體，對(duì)需要研究的部件逐一添加約束后，將模型映射到Adams 中模型添加驅(qū)動(dòng)載荷，定義各零、部件的材料屬性等，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等質(zhì)量信息。再對(duì)其模型進(jìn)行驗(yàn)證，確保映射到運(yùn)動(dòng)模型中的約束及驅(qū)動(dòng)滿足運(yùn)動(dòng)要求?；静襟E如圖3 所示。圖3 橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭仿真步驟Fig.3 Simulation steps of horizontal roadheader cutting head根據(jù)圖3 所示步驟，將模型導(dǎo)入Adams 中（見圖4）。圖4 橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭的三維實(shí)體模型Fig.4 Three-dimensional entity model of horizontal roadh

6、eader cutting head1.3 截割頭上的載荷模型截割頭在截割過程中，截割頭上各截齒的載荷是隨所處位置不同改變其大小和方向的，不同時(shí)間同一個(gè)截齒的負(fù)荷也不同。截割頭實(shí)際工作過程中，截割頭在0180°內(nèi)的截齒參與截割，180360°內(nèi)的截齒不參與截割。運(yùn)用Adams/view 中的IF 函數(shù)施加載荷，函數(shù)表達(dá)式如下3：IF(sin(t ),0,0,F)利用Mechenism/pro 模型導(dǎo)入AdamsAdams 環(huán)境對(duì)截割頭添加驅(qū)動(dòng)，定義材料屬性驗(yàn)證模型前處理階段Pro/e 橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭建模利用Mechenism/pro 定義截割頭，添加約束仿真分析-3-t

7、 = n + 式中 t截齒所在位置角（deg）；F 截齒受力，N；n截割頭轉(zhuǎn)速，（deg）/ s ； 截齒初始位置角，（deg）。根據(jù)上面得公式，對(duì)每個(gè)截齒的齒尖處逐一施加(x,y,z)(系統(tǒng)坐標(biāo)系)三個(gè)分量的作用力，分別為x 方向： IF(sin(time*89+20):0,0, 20874.3565) ； y 方向： IF(sin(time*89+20):0,0,4246.7517)；z 方向：IF(sin(time*89+20):0,0, 25753.5256)，具體施加的過程如圖5 所示，施加后的具體情況和圖6 所示。圖5 對(duì)截齒施加三個(gè)分量的作用力 圖6 截割頭空間載荷模型Fig.5

8、 The three components of the force Fig.6 Three-dimensional loads model ofimposed on pick cutting head2 仿真分析利用Adams/virbution 模態(tài)分析方法，分析截割頭水平截割過程中，截割頭的振動(dòng)特性(固有頻率和振型) 4。圖7、圖8 分別為仿真后得出的模態(tài)數(shù)據(jù)列表和第7 階模態(tài)坐標(biāo)圖。可見，第9 階模態(tài)影響最大，其截割頭固有頻率為15.88181Hz，相對(duì)于第9 階模態(tài)，其他模態(tài)頻響曲線接近平直。圖7 模態(tài)數(shù)據(jù)-4-圖8 第7 階模態(tài)坐標(biāo)圖Fig.8 Plot of modal coor

9、dinates in 7 band圖9、圖10 分別為截割頭在水平方向方向加速的變化頻幅響應(yīng)的二維和三維圖，由圖可見在17Hz 左右處出現(xiàn)明顯波峰，將產(chǎn)生共振現(xiàn)象；3Hz 以后，由于振動(dòng)頻率逐漸增加，時(shí)間變化逐漸減少，工作頻率遠(yuǎn)離部件固有頻率，截割頭振動(dòng)基本趨于平穩(wěn)狀態(tài)。5圖9 加速度頻響圖Fig.9 Frequency response diagram of acceleration圖10 加速度三維頻響圖Fig.10 Three-dimensional frequency response diagram of acceleration圖9，10 表明，在頻率10.85 處有明顯波峰。位移

10、幅頻響應(yīng)在頻率小于10 段，各主要部件位移振幅幾乎沒有變化，峰值點(diǎn)附近振幅變化明顯。機(jī)身振幅在頻率為10.85100 段變化較慢。加速度幅頻響應(yīng)在小于10 頻率段截割頭位移振幅呈上升趨勢(shì)，峰值點(diǎn)附近振幅變化明顯，大于29 頻率段，懸臂、截割頭振幅基本平穩(wěn)。這是由于振動(dòng)位移減小，振動(dòng)頻率增加，變化時(shí)間相對(duì)減少，加速度不變?cè)斐傻模瑫r(shí)也與各主要部件的固有頻率有關(guān)。由于懸臂固有頻率為10.3579，接近截割頭的工作頻率10.23，懸臂主要共振區(qū)域接近工作頻率，-5-因此懸臂相對(duì)其部件幅值較大。截割頭模態(tài)振型特征的分析結(jié)果如表1 所示。表1 截割頭模態(tài)振型特征Tab.1 Modal vibration

11、 pattern characteristics of cutting head3 結(jié)束語(yǔ)利用三維建模軟件Proe 建立橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭模型，通過Mechanism/pro 接口軟件將模型映射到Adams 環(huán)境下完成截割頭載荷的添加，完成前處理階段。最后對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，得出并分析了前13 階的固有頻率及固有振型，分析截割頭運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)截割過程的影響規(guī)律，對(duì)于提高截割頭的截割效率、探討截齒的磨損狀況以及設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)截割頭的結(jié)構(gòu)與性能提供了科學(xué)的方法。階數(shù) 固有頻率(Hz) 模態(tài)振型特征1 0 截割頭模型沒有明顯振動(dòng)2 0 截割頭模型沒有明顯振動(dòng)3 1.996124E+001 截割頭有明顯振動(dòng)、懸

12、臂輕幅度振動(dòng)4 2.041343E+001 截割頭有明顯振動(dòng)、懸臂輕幅度振動(dòng)5 2.960164E+001 截割頭有明顯振動(dòng)、懸臂輕幅度振動(dòng)6 3.392354E+001 截割頭有輕微振動(dòng)、懸臂恢復(fù)平靜7 4.366393E+000 相對(duì)于第6 階截割頭振動(dòng)增加8 4.631711E+001 截割頭振動(dòng)增大，伸縮臂振動(dòng)增大9 1.588181E+001 相對(duì)于第8 階，截割頭振動(dòng)減小，伸縮臂振動(dòng)減小10 2.800475E+002 振動(dòng)幅度增大，振動(dòng)明顯，固有頻率大于28011 9.372213E+002 同第10 階類似，振動(dòng)幅度繼續(xù)加大，固有頻率大于90012 8.584447E+003

13、振動(dòng)繼續(xù)加大，呈現(xiàn)不規(guī)則振動(dòng)13 9.645860E+003 隨著擺角趨于最大，主要呈現(xiàn)不規(guī)則振動(dòng)-6-參考文獻(xiàn)1 李曉豁著.掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)與研究M.北京:中國(guó)華僑出版社,19972 徐東.基于Pro/E 的截割頭截齒安裝方法的研究J.機(jī)械管理開發(fā),2009,24(3):133 鄭凱.ADAMS2005 機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20064 MSC. Software Corporation, Getting Started Using ADAMS/vibrationM. MSC.Software Corporation, 20025 鄭建榮.ADAMS 虛擬樣機(jī)技術(shù)入門

14、與提高M(jìn).機(jī)械工業(yè)出版社，2001Modal analysis of horizontal roadheader cutting head basedon virtual prototype technologyLi Xiaohuo, Zhu Xingmei, He YangCollege of Mechanical Engineering Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning (123000)AbstractIn order to study the vibration characteristics of horizontal roa

15、dheader cutting head, three-dimensionalsolid mode of the roadheader cutting head was established in the Pro / E, used Mechanism / pro tomapped the model to the Adams environment to add drivers load , to ensure that the model is mappedto movement constraints and drive to meet the movement requirements. Then the dynamic simulationanalysis, finally, analysis the results PostProcessing , drawed various stages of modal coordinategraph ,two-dimensional and three-dimensional frequency response graphs, come to the roadheadercutting head modal characteristics of the modal analysis results , to imp