采煤机电缆拖拽装置传动部件应力分析
摘：采煤机工作程中圆环链作采煤机电缆拖拽装置牵引构件性优劣直接影响煤矿煤炭产量文圆环链研究象结合实际工况圆环链材料属性进行定义建立圆环链限元分析模型圆环链分施加70kN105kN140kN载荷进行加载试验研究表明：着负载增加链条Mises应力基呈线性趋势增长受力加载链环圆弧段受应力较易产生断裂塑性变形问题应定期圆环链进行检修该研究提高采煤机电缆拖拽系统工作效率提供理
关键字：采煤机电缆圆环链限元法应力分析
中图分类号： 文献标识码：
Stress Analysis of Transmission Components of Shearer Cable Dragging Device
Abstract As a towing device of shearer cable dragging device the merits of circular chain will directly affect coal production in coal mines In the process of shearer work to ensure that the chain does not produce any form of failure has become particularly important In this paper the circular chain as the research object combined with the actual conditions the material properties of the circular chain is defined the finite element analysis model of the circular chain is established The loads of 70kN 105kN and 140kN were respectively applied to the circular chain to carry out the loading test The results show that the Mises stress of the chain increases linearly with the increase of the load The stress on the circular arc of the chain increases with the increase of load Large prone to fracture and plastic deformation problems should be regularly carried out overhaul of the circular chain the study to improve Shearer cable drag system work efficiency provides a theoretical basis
Key words Shearer cable circular chain finite element method stress analysis
0 引言
目前煤矿开采断着智化动化机械化方发展采煤机运行状况企业煤炭生产效率着较影响[1]作采煤机电缆拖拽装置牵引构件圆环链应力值达工作求会产生程度形变传动程稳进导致采煤机电缆掉槽拉断卡死造成采煤机停机[2]采煤机电缆拖拽装置传动部件稳定性进行研究变尤重
国外采煤机电缆拖拽装置研究较成熟包括液压绞车式电缆拖拽装置电缆收放装置采煤机动拖缆装置等[3]拖拽装置中传动链环研究较少圆环链煤矿井工作时避免受卡链落煤击等影响产生变形[4]文圆环链研究象结合实际工况圆环链材料属性进行定义建立圆环链限元分析模型圆环链分施加70kN105kN140kN载荷进行加载试验该研究效提高采煤机生产效率定程度减少综采工作面事时采煤机电缆拖拽装置设计提供理
1限元法基理
限元方法基化弧直化整零思想种求解复杂工程问题常方法[5]限元法包括：计算机程序设计技术数学力学理网格单元划分原数值计算方法误差稳定性收敛性
限元法位移法未知量[6]材料应力应变关系方程应力应变场首先连续体连续面分割成单元次通函数确定单元节点处位移应变状态分析单元应变情况求解应力应变方程[7]结合实际工况文圆环链模型进行简化加载载荷进行加载试验校核圆环链静力学强度限元分析流程图 1 示
图1限元分析流程
2链条限元模型建立
21材料属性
卡链落煤击等素影响链环产生塑性变形定义模型塑性材料23MnNiCrMo52具体参数表1示
表 1 材料力学参数
抗拉强度MPa
屈服应力MPa
切线模量MPa
泊松
弹性模量GPa
1254
1175
2444
03
210
降低限元分析复杂程度降低分析精度前提模型进行简化处理认外表面光滑圆形横截面半径相圆形建立34链环分装配实验链环两端图2示图中左侧金色链环加载环右侧金色链环固定环绿色链环实验环模拟圆环链静态受力
图2圆环链限元分析模型
22约束载荷
传动程中链环间接触较复杂文分析静力学问题包含速率阻尼相关性质定义两链环圆弧段完全弹性接触摩擦系数035圆环链模型右端34链环施加载荷左端34链环施加全约束图3示
图3施加载荷模型图
采煤机电缆拖拽装置正常工作时链条受载荷约65446N保证真实模拟链环运行程中受较载荷时安全性仿真中施加载荷工作受载荷圆环链分施加载荷70kN105kN140kN进行仿真试验
23划分网格
网格质量坏直接关系分析结果精度边长2 mm正六面体网格单元圆环链模型进行网格划分图 4 示
图4圆环链模型网格划分
3限元结果分析
Mises应力基剪切应变种等效应力服畸变密度理Mises应力达屈服应力值时材料屈服计算公式：
（1）
式中：δ1第应力δ2第二应力δ3第三应力
圆环链抗拉安全系数K保证圆环链抗拉安全系数1圆环链会发生塑性变形K值计算公式：
（2）
式中：δs圆环链材料屈服强度δr圆环链中Mises应力
31圆环链 Mises 应力分析
链环分施加70kN105kN140kN载荷仿真载荷条件Mises应力云图图5示
（a）70kN
（b）105kN
（c）140kN
图5载荷条件限元Mises应力云图
图5（a）知70kN载荷作圆链环部分区域Mises应力约11MPa图5（b）中105kN载荷作Mises应力分布70kN载荷Mises应力分布基相应力点均出现链环直段外侧Mises应力约18MPa图5（c）中140kN载荷作链环应力约21MPa图5（a）（b）（c）出着负载增加链条Mises应力基呈线性趋势增长链环Mises应力链环侧外侧逐渐减集中链环侧直线部分Mises应力圆弧部分Mises应力Mises应力值分布圆环直线部分外侧
三种载荷 Mises 应力分布均呈现出链环外侧应力较侧应力较规律表明外加荷载影响荷载作区附应力分布离荷载作区稍远方仅荷载合力合力矩关
32圆环链Mises应力点分析
外加载荷条件实验圆环链Mises应力云图应力点分布图 6 示出Mises应力分布存链环直线部分较圆弧部分较外侧较侧较规律70kN载荷作链环Mises应力5215MPa105kN载荷作Mises应力值7395MPa140kN载荷作链环应力10035kNMises应力点分布相邻链环圆环链圆弧接触侧
（a）70kN
（b）105kN
（c）140kN
图6 载荷单圆环链应力点Mises应力云图
载荷条件链条屈服强度安全系数表2示出三种载荷安全系数均1满足工程求
表 2 载荷条件链条屈服强度安全系数
载荷条件
δsMpa
δrMpa
K
70kN
1175
5215
2253
105kN
1175
7395
1589
140kN
1175
10035
1171
Y轴方实际距离圆环链截距圆环链侧中线取点单圆环具称关系仅链环半进行Mises应力分析三种载荷条件路径点Mises应力曲线图7示
图7作力圆环链路径处点Mises应力图
出圆环链施加载荷圆环圆弧段直段交点处应力两链环接触部分Mises应力路径方应力逐渐增圆环直段Mises应力圆弧段直段相交处应力圆弧段应力综合分析知受力加载链环圆弧段受应力较易产生断裂塑性变形问题
4结
文圆环链研究象结合实际工况圆环链材料属性进行定义建立圆环链限元分析模型圆环链分施加70kN105kN140kN载荷进行加载试验出结：
（1）着负载增加链条Mises应力基呈线性趋势增长链环Mises应力链环侧外侧逐渐减集中链环侧直线部分Mises应力圆弧部分Mises应力Mises应力值分布圆环直线部分外侧
（2）70kN载荷作链环Mises应力5215MPa100kN负载Mises应力值7395MPa140kN负载链环应力10035kNMises应力点分布相邻链环圆环链圆弧接触侧
（3）三种载荷安全系数均1完全满足工程求受力加载链环圆弧段受应力较易产生断裂塑性变形问题应定期圆环链进行检修
参考文献
[1]张新白文莹 采煤机动拖缆装置设计应[J] 矿山机械201543(04)141
[2]张炜 基MSCADAMS圆环链传动系统仿真分析[J] 煤矿机械201435(04)7577
[3]杨建华 关采煤机电缆拖曳方式优化改进措施分析[J] 科技创新应2014(09)69
[4]阚锦彪 电牵引采煤机新型拖缆装置开发研制[J] 煤矿机械201435(03)123125
[5]魏文玉 连续采煤机电缆拖拽装置研究应[J] 陕西煤炭2006(01)3637
[6]郝驰宇闫鹏程孙华刚等 基RecurDyn链传动动力学障仿真分析[J] 机械传动201438(10)173176
[7]王跃清田莹 圆环链链轮传动力学模型建立计算方法[J] 煤矿机械2004(05)69
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摘：采煤机工作程中圆环链作采煤机电缆拖拽装置牵引构件性优劣直接影响煤矿煤炭产量文圆环链研究象结合实际工况圆环链材料属性进行定义建立圆环链限元分析模型圆环链分施加70kN105kN140kN载荷进行加载试验研究表明：着负载增加链条Mises应力基呈线性趋势增长受力加载链环圆弧段受应力较易产生断裂塑性变形问题应定期圆环链进行检修该研究提高采煤机电缆拖拽系统工作效率提供理
关键字：采煤机电缆圆环链限元法应力分析
中图分类号： 文献标识码：
Stress Analysis of Transmission Components of Shearer Cable Dragging Device
Abstract As a towing device of shearer cable dragging device the merits of circular chain will directly affect coal production in coal mines In the process of shearer work to ensure that the chain does not produce any form of failure has become particularly important In this paper the circular chain as the research object combined with the actual conditions the material properties of the circular chain is defined the finite element analysis model of the circular chain is established The loads of 70kN 105kN and 140kN were respectively applied to the circular chain to carry out the loading test The results show that the Mises stress of the chain increases linearly with the increase of the load The stress on the circular arc of the chain increases with the increase of load Large prone to fracture and plastic deformation problems should be regularly carried out overhaul of the circular chain the study to improve Shearer cable drag system work efficiency provides a theoretical basis
Key words Shearer cable circular chain finite element method stress analysis
0 引言
目前煤矿开采断着智化动化机械化方发展采煤机运行状况企业煤炭生产效率着较影响[1]作采煤机电缆拖拽装置牵引构件圆环链应力值达工作求会产生程度形变传动程稳进导致采煤机电缆掉槽拉断卡死造成采煤机停机[2]采煤机电缆拖拽装置传动部件稳定性进行研究变尤重
国外采煤机电缆拖拽装置研究较成熟包括液压绞车式电缆拖拽装置电缆收放装置采煤机动拖缆装置等[3]拖拽装置中传动链环研究较少圆环链煤矿井工作时避免受卡链落煤击等影响产生变形[4]文圆环链研究象结合实际工况圆环链材料属性进行定义建立圆环链限元分析模型圆环链分施加70kN105kN140kN载荷进行加载试验该研究效提高采煤机生产效率定程度减少综采工作面事时采煤机电缆拖拽装置设计提供理
1限元法基理
限元方法基化弧直化整零思想种求解复杂工程问题常方法[5]限元法包括：计算机程序设计技术数学力学理网格单元划分原数值计算方法误差稳定性收敛性
限元法位移法未知量[6]材料应力应变关系方程应力应变场首先连续体连续面分割成单元次通函数确定单元节点处位移应变状态分析单元应变情况求解应力应变方程[7]结合实际工况文圆环链模型进行简化加载载荷进行加载试验校核圆环链静力学强度限元分析流程图 1 示
图1限元分析流程
2链条限元模型建立
21材料属性
卡链落煤击等素影响链环产生塑性变形定义模型塑性材料23MnNiCrMo52具体参数表1示
表 1 材料力学参数
抗拉强度MPa
屈服应力MPa
切线模量MPa
泊松
弹性模量GPa
1254
1175
2444
03
210
降低限元分析复杂程度降低分析精度前提模型进行简化处理认外表面光滑圆形横截面半径相圆形建立34链环分装配实验链环两端图2示图中左侧金色链环加载环右侧金色链环固定环绿色链环实验环模拟圆环链静态受力
图2圆环链限元分析模型
22约束载荷
传动程中链环间接触较复杂文分析静力学问题包含速率阻尼相关性质定义两链环圆弧段完全弹性接触摩擦系数035圆环链模型右端34链环施加载荷左端34链环施加全约束图3示
图3施加载荷模型图
采煤机电缆拖拽装置正常工作时链条受载荷约65446N保证真实模拟链环运行程中受较载荷时安全性仿真中施加载荷工作受载荷圆环链分施加载荷70kN105kN140kN进行仿真试验
23划分网格
网格质量坏直接关系分析结果精度边长2 mm正六面体网格单元圆环链模型进行网格划分图 4 示
图4圆环链模型网格划分
3限元结果分析
Mises应力基剪切应变种等效应力服畸变密度理Mises应力达屈服应力值时材料屈服计算公式：
（1）
式中：δ1第应力δ2第二应力δ3第三应力
圆环链抗拉安全系数K保证圆环链抗拉安全系数1圆环链会发生塑性变形K值计算公式：
（2）
式中：δs圆环链材料屈服强度δr圆环链中Mises应力
31圆环链 Mises 应力分析
链环分施加70kN105kN140kN载荷仿真载荷条件Mises应力云图图5示
（a）70kN
（b）105kN
（c）140kN
图5载荷条件限元Mises应力云图
图5（a）知70kN载荷作圆链环部分区域Mises应力约11MPa图5（b）中105kN载荷作Mises应力分布70kN载荷Mises应力分布基相应力点均出现链环直段外侧Mises应力约18MPa图5（c）中140kN载荷作链环应力约21MPa图5（a）（b）（c）出着负载增加链条Mises应力基呈线性趋势增长链环Mises应力链环侧外侧逐渐减集中链环侧直线部分Mises应力圆弧部分Mises应力Mises应力值分布圆环直线部分外侧
三种载荷 Mises 应力分布均呈现出链环外侧应力较侧应力较规律表明外加荷载影响荷载作区附应力分布离荷载作区稍远方仅荷载合力合力矩关
32圆环链Mises应力点分析
外加载荷条件实验圆环链Mises应力云图应力点分布图 6 示出Mises应力分布存链环直线部分较圆弧部分较外侧较侧较规律70kN载荷作链环Mises应力5215MPa105kN载荷作Mises应力值7395MPa140kN载荷作链环应力10035kNMises应力点分布相邻链环圆环链圆弧接触侧
（a）70kN
（b）105kN
（c）140kN
图6 载荷单圆环链应力点Mises应力云图
载荷条件链条屈服强度安全系数表2示出三种载荷安全系数均1满足工程求
表 2 载荷条件链条屈服强度安全系数
载荷条件
δsMpa
δrMpa
K
70kN
1175
5215
2253
105kN
1175
7395
1589
140kN
1175
10035
1171
Y轴方实际距离圆环链截距圆环链侧中线取点单圆环具称关系仅链环半进行Mises应力分析三种载荷条件路径点Mises应力曲线图7示
图7作力圆环链路径处点Mises应力图
出圆环链施加载荷圆环圆弧段直段交点处应力两链环接触部分Mises应力路径方应力逐渐增圆环直段Mises应力圆弧段直段相交处应力圆弧段应力综合分析知受力加载链环圆弧段受应力较易产生断裂塑性变形问题
4结
文圆环链研究象结合实际工况圆环链材料属性进行定义建立圆环链限元分析模型圆环链分施加70kN105kN140kN载荷进行加载试验出结：
（1）着负载增加链条Mises应力基呈线性趋势增长链环Mises应力链环侧外侧逐渐减集中链环侧直线部分Mises应力圆弧部分Mises应力Mises应力值分布圆环直线部分外侧
（2）70kN载荷作链环Mises应力5215MPa100kN负载Mises应力值7395MPa140kN负载链环应力10035kNMises应力点分布相邻链环圆环链圆弧接触侧
（3）三种载荷安全系数均1完全满足工程求受力加载链环圆弧段受应力较易产生断裂塑性变形问题应定期圆环链进行检修
参考文献
[1]张新白文莹 采煤机动拖缆装置设计应[J] 矿山机械201543(04)141
[2]张炜 基MSCADAMS圆环链传动系统仿真分析[J] 煤矿机械201435(04)7577
[3]杨建华 关采煤机电缆拖曳方式优化改进措施分析[J] 科技创新应2014(09)69
[4]阚锦彪 电牵引采煤机新型拖缆装置开发研制[J] 煤矿机械201435(03)123125
[5]魏文玉 连续采煤机电缆拖拽装置研究应[J] 陕西煤炭2006(01)3637
[6]郝驰宇闫鹏程孙华刚等 基RecurDyn链传动动力学障仿真分析[J] 机械传动201438(10)173176
[7]王跃清田莹 圆环链链轮传动力学模型建立计算方法[J] 煤矿机械2004(05)69
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