基于ANSYS的掘锚机防尘圈数值模拟

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摘要：利用Solidworks 建立掘锚机防尘圈的三维模型，通过大型有限元软件ANSYS对模型进行单元网格划分，建立有限元模型，然后对其进行数值模拟，得到防尘圈在掘锚机截割过程中的受力应变云图，为防尘圈优化提供了指导。

　　关健词：掘锚机，防尘圈，ANSYS，数值模拟

　　1、掘锚机防尘圈的结构

　　掘锚机在截割过程中，履带是静止不动的，截割头主要是靠一个安装在机架底部的掏槽油缸推动2个导杆前移，2个导杆带动铲板及截割头同时前移，完成截割煤岩，截割完一定厚度的煤岩后，开动履带前进，进入下一个截割位置。在导杆前移时，导杆和缸筒之间安装有防尘圈，该零件起着举足轻重的作用，每次导杆前移、收回都需要防尘圈对散落在导杆上的杂物去除，否则，杂物将划伤导杆，导致导杆失效，不能正常工作。另外，由于导杆安装在掘锚机底部，所以在矿井下更换损坏的导杆时，需要拆掉履带，把整个掘锚机支撑起来 更换过程非常困难，不仅耗时耗力，而且耽误生产。因此，防尘圈的研发、设计及优化是至关重要的。

　　掘锚机防尘圈是回转体，承受载荷是集中在下半部分，同时为了减少数值模拟时的计算量，故建立1/2模型。对防尘圈加载时，将对称面进行约束。

图1 防尘圈机构示意图

2、防尘圈的三维建模

　　通过Solidworks 对掘锚机防尘圈进行三维建模，通过选取基准面、草绘、旋转等操作建立好防尘圈的三维模型。为满足几何体网格划分要求，遵循简化细节、理想化的建模思想 消除了防尘圈唇部等处的小倒角，如图 2 所示。

图2 防尘圈三维模型

从图2可以看出，防尘圈有与缸筒接触面，与导杆接触面，同时有防尘唇部。

　　3、防尘圈的有限元模型

　　将防尘圈的三维模型通过Solidworks 与 ANSYS 接口导入ANSYS 中，根据掘锚机防尘圈的结构特点，选择三维单元solid45模拟防尘圈，其中，防尘圈的弹性模量EX=1.13GPa 泊松比PRXY=0.33。通过 ANSYS 软件对其进行网格划分，最终形成的有限元模型中共 78987个单元，122479个节点(见图3)。

　图3 防尘圈网格划分

4、防尘圈的数值模拟

　　通过 ANSYS 对防尘圈有限元模型进行加载和约束，求解器得出有限元分析结果如图4~ 图6.

　　分析掘锚机防尘圈位移图可知，防尘圈在Y方向上的位移最大，防尘圈在掘锚机截割过程中，受到载荷作用，在Y方向上的变形最大，防尘圈在X方向上的位移最小，相应地说明防尘圈在载荷作用下，在X方向上的变形最小。优化设计防尘圈时要注意在Y方向上对防尘圈的唇部最大位移的反方向上进行依托。

　　分析掘锚机防尘圈应力云图可知，防尘圈在Y方向上应力最大，防尘圈在掘锚机截割过程中，受到载荷作用，在Y方向上出现应力集中，是薄弱点，可能出现剪切破坏，设计时要针对此处进行校核防尘圈强度。

　a 位移 b 应力
图4 防尘圈X方向位移和应力云图

　a 位移 b 应力
图5 防尘圈Y方向位移和应力云图

a 位移 b 应力
图6 防尘圈Z方向位移和应力云图

　　5、结语

　　通过对掘锚机防尘圈的数值模拟，显而易见，防尘圈的优化设计对于整个掘锚机系统来说是至关重要的，防尘圈的安装位置比较特殊，在掘锚机下部一旦损坏，在矿井的恶劣工况下，更换费时、费力、耽误生产。

　　(1)防尘圈除尘唇部由于承受导杆的重量，向外翻，变形严重，给设计提出了指导，固定防尘圈的法兰盘必须给予防尘圈唇部以支撑作用，将导杆重量传递给掘锚机机架，减小防尘圈唇部变形;

　　(2)防尘圈的唇部要宽大，减小导杆对防尘圈的压力;

　　(3)防尘圈材料可以使用更好的材料，使其更利于抗压、抗变形，同时有自润滑功能。

　　参考文献：

　　(1)龚曙光。ANSYS工程应用实例解析M。北京：机械工业出版社，2003。

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转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_d75e79500102w0kc.html