二自由度回轉機構的仿真設計

序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦一篇二自由度回轉機構的仿真設計范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。

在煤礦的生產過程中掘進和回采是兩個重要環節，科學的機械化掘進技術是保證煤礦實現高產能、高效率的必要條件，也是國內相關技術改革與發展的大方向［1］。大型掘進機是用于不同巷道煤炭作業的專用工程機械，其主要功能有截割煤層、采集裝運、行走支撐保護［2］。目前，國內對大型掘進機檢測的實驗一般僅在單一工況條件下進行，缺少在實際工作環境中的綜合研究，特別是對主要元器件(例如回轉機構)設計與優化的研究缺乏相關數據［3］。此外，我國自主研發的掘進機之所以與國際相同類型的產品存在較大技術代差，其中一個重要原因便是國內缺乏相對完善的大型掘進機性能檢測實驗系統［4］。因此，不斷有學者針對回轉機構進行優化研究。周開平［5］通過分析EBZ220型懸臂式掘進機回轉機構在回轉擺動和上下擺動時的應力模型，對回轉臺上的各鉸接點進行優化，提高了液壓穩定性。張理想等［6］利用ANSYS有限元分析軟件對回轉機構進行應力與形變位移分析，尋找裝載平臺結構的缺陷，提升了產品的設計質量。閆剛［7］通過應力和形變分析提出掘進機回轉機構的優化方案，降低了掘進作業的風險。為提高實際掘進機回轉機構的靜力學和動力學性能，本研究根據大型掘進機生產廠家的實際需求，圍繞掘進機性能實驗臺的相關設計要求，分析回轉機構的載荷分布情況，在Pro/Engineer軟件中對回轉支撐裝置進行建模和分析，驗證其運動結構設計的安全性和穩定性，為更科學準確地獲得大型掘進機樣機所需的相關性能實驗參數奠定基礎。

1相關方案設計

1．1整體設計要求

1．1．1整體結構

圖1為二自由度回轉機構示意圖。根據生產廠家的實際需求，大型掘進機承受的載荷［8］包括樣機質量(90t)、承載板自質量(20t)、動載荷(20t);運動需求設計要求能夠實現方案預期的向前、向后、向左、向右的擺動;在進行相關實驗時，方案設計的各部分構建不能出現互相干擾現象，機器能夠正常運轉;結構設計要求符合國際理念，符合生產廠家的實際要求，能夠帶來經濟效益。

1．1．2掘進機相關參數

EBZ300型掘進機相關參數［9］見表1。1.2有限元模型的建立1．2．1模型建立運用Pro/Engineer軟件對二自由度回轉機構進行裝配模型構建，將三維模型導入ANSYS軟件中，再進行優化處理。進行有限元分析時，應采用簡潔的原則。因為本研究的重點是二自由度回轉支撐裝置的回轉軸，所以在ANSYS軟件的模型中應除去其他不必要的結構，只保留回轉軸的裝配體與軸座。在進行有限元分析時設定一個研究坐標系:以二自由度回轉支撐裝置下部回轉軸的軸線方向為X軸;以二自由度回轉支撐裝置上部回轉軸的軸線方向為Y軸;以二自由度回轉支撐裝置豎直方向為Z軸。ANSYS三維模型如圖2所示。1．2．2網格劃分在ANSYS軟件中對實體模型添加單元屬性(十字軸座的材料類別為高碳鋼，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;兩條回轉軸材料類別為45#鋼，彈性模量EX=2．1×1011Pa)，采用四面體單元劃分網格，結果見圖3。

1．3回轉機構性能分析

1．3．1靜力學分析

根據實際工況，對三維模型施加約束條件與載荷時，必須依據二自由度回轉支撐裝置的現實工作情況進行添加:X、Y、Z軸3個方向均被添加約束條件，有關表面需要添加一個面載荷。例如軸承與軸配合的面，其面載荷［10］σz=G1+G22Dl，(1)式中:σz為回轉支撐結構回轉軸的最大荷載，MPa;G1為實驗機的重量，N;G2為整個承載板的重量，N;D為滑動軸與上部回轉軸承接觸的圓柱部分直徑，m;l為滑動軸與上部回轉軸承接觸部分的長度，m。

1．3．2模態分析

共振是機械結構設計不可回避但可以避免的現象，使用ANSYS有限元軟件可以對設計結構進行模態分析，從而有效預估設計結構的振動特性，優化結構設計。用模態分析求解基本方程即線性代數中的求解特征值［11］問題:KΦi=ω2iMΦi，(2)式中:Φi為第i階模態的陣型向量;K為剛度矩陣;M為質量矩陣;ωi為第i階模態的固有頻率。

1．3．3結構優化

在實驗過程中，回轉機構中軸頸處應力集中，特別容易使軸發生斷裂失效。為了降低事故發生的風險，通過添加過渡曲線的方式對十字回轉軸進行結構優化。本研究選擇了4種優化方案(圖4)，過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，通過應力分析篩選出最優的過渡曲線

2結果與分析

2．1二自由度回轉機構的靜力學分析

二自由度回轉機構的靜力學分析結果見圖5。設置載荷與約束，對實體模型進行靜力學分析，圖5(a)為三維模型載荷施加圖。將分析結果以圖5(b)應力云圖的形式表現，分析色系分布，發現σmax發生在回轉軸軸肩處，最大應力σmax=29MPa。45#鋼的屈服強度為［σs］=355MPa，由于σmax=291MPa＜［σs］，所以二自由度回轉機構的兩條回轉軸滿足所需力學要求，符合基本安全要求。

2．2二自由度回轉機構的模態分析

二自由度回轉機構的模態分析結果見圖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。截割頭的轉速ω截割頭=42r/min，切割電機額定轉速ω電=1470r/min，計算可得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頻率;f電為電動機頻率。分析計算結果可得，切割電機與截割頭造成的激勵頻率小于1階頻率。因此，在實際工況下，二自由度回轉支撐裝置不會與外界激勵產生共振，此裝置在動力學方面符合生產安全要求，且通過前5階模態分析可知其滿足安全要求，不需要再進行5階以上的模態分析。

2．3回轉軸軸頸的優化設計

為了使回轉軸軸頸處應力降低，并提高其結構強度和壽命，利用半查找法和黃金分割點法獲得各曲線的圓弧半徑，并將數據導入ANSYS軟件中，得出不同過渡曲線的最大應力，見表2。從表2可以看出，4種過渡曲線中，圓弧－直線－圓弧的最大應力最小，所以采用圓弧－直線－圓弧曲線進行優化，得到軸的應力云圖如圖7所示。從圖7可以看出，軸頸大部分區域應力分布均勻，達到了優化設計的目的。

3結論

使用Pro/Engineer軟件對二自由度回轉支撐裝置進行三維實體建模，并進行靜力學和模態分析，證明了回轉支撐裝置滿足安全要求。同時，利用應力分析結果對回轉機構軸頸進行結構優化，得到結論如下:

(1)通過靜力學分析，證明了回轉支撐裝置滿足安全要求。

(2)通過模態分析，證明了回轉支撐裝置滿足安全要求。

(3)通過諧波響應分析，證明了在危險情況下組合軸承和回轉軸不會出現屈服現象。

(4)過渡曲線為圓弧－直線－圓弧時，軸頸部具有更好的抗應力性能。

參考文獻:

［1］武深浩．現代煤礦掘進技術的改進［J］．能源與節能，2016(12):160－161，169．

［2］馬源，符世琛，張子悅，等．懸臂式掘進機位姿檢測方法研究現狀［J］．工礦自動化，2020，46(8):15－20．

［3］劉志斌．掘進機回轉機構的受力分析與優化設計［J］．機械管理開發，2019，34(6):35－36，165．

［4］蔡文安，楊兆建，高紅斌．懸臂式掘進機回轉機構有限元優化研究綜述［J］．機械管理開發，2012(5):1－2，5．

［5］周開平．煤礦井下懸臂式掘進機回轉機構優化設計［J］．煤炭技術，2021，40(9):177－180．

［6］張理想，黃胤真，區思榜．基于ANSYS的作業裝置回轉機構的受力分析與設計［J］．裝備制造技術，2021(9):77－79．

［7］閆剛．基于ANSYS的懸臂式掘進機回轉機構的優化研究［J］．機械管理開發，2019，34(8):13－14．

［8］胡忠興．EBZ300掘進機回轉結構的優化設計［J］．機械研究與應用，2019，32(3):199－201．

［9］王帥．EBZ300型懸臂式掘進機的結構特點和應用［J］．煤礦機械，2015，36(4):174－176．

［10］張睿．160型薄煤層掘進機回轉耳架的靜力學有限元分析［J］．煤礦機電，2020，41(4):44－46．

［11］梁君，趙登峰．模態分析方法綜述［J］．現代制造工程，2006(8):139－141．

作者:莊志忠 單位:福建船政交通職業學院 機械與智能制造學院