P口流量变化曲线如图6所示。图6P口流量变化曲线阀杆的运动速度曲线如图7所示图7阀杆的运动速度曲线从图7可看出，换向阀的启闭时间很快，在1ms左右，该阀子系统稳定性较差。在换向瞬间，P口有尖峰流量变化。（4）结构优化换向阀启闭时间过快容易造成液压冲击。如果换向阀前溢流阀启闭时间比换向阀启闭时间慢的多，也容易造成液压冲击。为减小液压冲击，假设在换向阀K口进口处增加节流孔结构。如图8所示为换向阀K口不同节流孔尺寸时，换向阀A口的压力变化曲线。图8换向阀A口的压力变化曲线从图8可以看出，不同的节流口尺寸，对阀的启闭特性影响很大。节流口为系统增加了阻尼结构，延长了阀的开启、关闭时间，能够改善液压冲击，但同时也会降低系统的响应速度。3结语根据以上仿真结果的分析，现结构产品启闭时间很短，响应快，但系统换向过快，容易引起液压冲击，影响产品性能。增加节流孔结构，可提高系统响应的稳定性，但是随动性相对变差。以上研究结果对换向阀芯的优化设计提供有益帮助。参考文献：［1］王国法．液压支架技术［M］．北京：煤炭工业出版社，1999．［2］王益群，张伟.流体传动及控制技术的评述［J］．机械工程学报，2003，39（10）：95-99.［3］张文杰，杨桂莲.液阻在液压系统中的应用分析［J］．铸造设备研究，2002（2）：21-22，33.作者简介：于洋（1983-），辽宁葫芦岛人，2006年7月毕业于沈阳工业大学机械设计制造及其自动化专业，现任沈阳三一重型装备有限公司综采研究院基础所所长,负责刨煤机组液压系统及乳化液泵站成套设备的设计开发工作，电子邮箱yuy3@sany.com.cn.责任编辑：郑万才收稿日期：2014－04－03运煤车转向臂瞬态动力学分析叶竹刚（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，太原030006）摘要：针对某运煤车全轮转向机构的工作原理进行了阐述，分析了转向连杆机构及转向臂的受力情况，以有限元理论为依托建立了转向臂瞬态动力学仿真模型，进行了上、下转向臂的瞬态动力学分析，得到了两结构的应力分布，对设计具有指导意义。关键词：转向臂；瞬态动力分析；Ansys中图分类号：TD50文献标志码：A文章编号：1008－8725（2014）05－0183－04TransientDynamicsAnalysisonSteeringArmofMineTransportationVehicleYEZhu-gang（TaiyuanInstituteCo.,Ltd.,ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup,Taiyuan030006,China）Abstract:Theworkingprincipleofall-wheelsteeringmechanismofaminetransportationvehicleisdescribed,andtheforcesofthesteeringlinkageandsteeringarmareanalyzed.Finiteelementtheoryistakenasthebasistoestablishtransientdynamicssimulationmodelofasteeringarm,andthetransientdynamicsanalysisiscarriedout,twostructuralstressdistributionisobtained,withguidingsignificanceforthedesign.Keywords:steeringarm;transientdynamicanalysis;Ansys!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!煤炭技术CoalTechnologyVol.33No.05May2014第33卷第05期2014年05月doi:10.13301/j.cnki.ct.2014.05.069流量×103/L·min-10.000.050.100.150.200.250.300.35时间/s6.05.04.03.02.01.00.0-1.0-2.0-3.00.000.100.200.300.400.500.600.700.80时间/s速度/m·s-12.01.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.50.000.100.200.300.400.500.600.700.80时间/s302520151050-5压力/MPa183中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

0引言转向臂是某运煤车空间连杆全轮转向机构的关键组成部件之一，在重载行驶过程中，短时间内受到的频繁交替变换的转向力是导致转向臂损坏的原因之一。转向臂在运行中受到的惯性效应较大，动力作用对结构的影响不能忽略，因此只进行静力结构强度分析无法满足设计要求，必须对结构进行瞬态动力学分析。由于转向臂结构复杂，无法直接计算，借助有限元仿真软件Ansys进行瞬态动力学分析，可以较为直观地模拟其实际工况，对转向臂的精确合理设计，降低故障率是十分必要的。1转向机构工作原理运煤车全轮转向机构主要由拉杆和构件组成，采用液压动力驱动，其结构如图1所示。工作原理为：驾驶员操纵控制换向阀，使2个转向液压缸伸缩方向相反，分别推、拉转向块，同时通过球铰带动各自方向的纵拉杆做空间运动。纵拉杆同样通过球铰带动上转向臂绕着各自的转向销轴旋转，上转向臂与轮边减速器及轮胎相连，从而使轮胎也绕着转向销轴旋转。与轮边减速器相连的下转向臂跟着轮胎旋转，带动横拉杆做平面运动，与横拉杆相连的另一侧下转向臂在横拉杆的带动下绕着自己一侧的转向销轴旋转，从而使该侧的轮胎也绕着转向销轴旋转。此全轮转向机构具有反对称性，结构较为简单，但转向臂在运行中受交变载荷影响，受力工况复杂，转向臂的损坏或出故障均会引起局部或整个转向失灵，有必要对转向臂进行力学分析。图1运煤车转向机构模型1.轮胎及轮边减速器2、4、11、13.下转向臂5、10.上转向臂3、12.纵拉杆6、9.横拉杆7、8.转向液压缸14.转向块及同步轴2转向臂受力分析根据运煤车转向机构运动原理分析，只有纵拉杆作空间运动，2个下转向臂和横拉杆构成平面四连杆机构，上转向臂和转向块、纵拉杆构成空间四连杆机构。由于转向机构的反对称性，为便于分析，以下分析中只分析其结构的一半。下面分别对下转向臂和上转向臂的受力进行分析，此外，考虑到运煤车在实际转向过程中，转向机构运动速度较慢，惯性力较小，在以下计算中忽略不计；拉杆与构件质量与负载相比比值很小，也忽略不计。（1）下转向臂受力分析2个下转向臂和横拉杆构成平面四连杆机构，主动件为与上转向臂在一侧的下转向臂，从动件为另一侧下转向臂，受力如图2所示。图2下转向臂受力分析设下转向臂在X-Y平面的投影长度为L1、L3，横拉杆投影长度为L2，球铰A、B的反力为FA、FB，由于没有外力作用在横拉杆L2上，所以其为二力杆，则有FA=-FB（1）取L3为分离体，并将该构件上的诸力对O2点取矩，则根据ΣMO2＝0，得Mr1-L3·FB＝0（2）式中Mr1———作用于下转向臂L3上的阻力矩，即地面对轮胎的阻力矩。由式（2）即可确定FB，根据式（1）即可确定FA。同理，取L1为分离体，并将该构件上的诸力对O1点取矩，则根据ΣMO1＝0，得FA·L1-Ma＝0（3）由式（3）即可确定需要施加于下转向臂L1上的平衡力矩Ma。（2）上转向臂受力分析上转向臂和转向块、纵拉杆构成空间四连杆机构，主动件为纵拉杆，从动件为上转向臂，受力如图3所示。图3上转向臂受力分析设上转向臂在X-Z平面的投影长度为L6，纵向拉杆长度为L5，纵拉杆球铰与转向块同步轴的中心距离为L4，球铰C、D的反力为FC、FD，由于没有外力作用在纵拉杆L5上，所以其为二力杆，则有FC=-FD（4）取构件L6为分离体，并将该构件上的诸力对O4点取矩，则根据ΣMO4＝0，得L6·FD－Ma-Mr2=0（5）式中Mr2———作用在上转向臂L6上的阻力矩，即地面对轮胎的阻力矩。第33卷第05期Vol.33No.05运煤车转向臂瞬态动力学分析———叶竹刚DFCL6MaMrO3L5L4YCZXFDO4FBFAO2O1L1L2L3MrMaYABXMb184中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第33卷第05期Vol.33No.05运煤车转向臂瞬态动力学分析———叶竹刚由式（5）即可确定FD，根据式（4）即可确定FC。同理，取构件L4为分离体，并将该构件上的诸力对O3点取矩，则根据ΣMO3＝0，得Mb-F·L4=0（6）由式（6）即可确定需要施加于转向块及同步轴上的平衡力矩Mb，Mb也是整个转向机构的驱动力矩。3瞬态动力分析Ansys是世界上应用较为广泛的有限元分析软件，相比其他分析软件，其对动力分析有着显著的优势，它包含了全面的动力分析功能，包括模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析和谱分析4种动力分析类型，对各类工程结构中常见动力问题的解决得心应手，其中瞬态动力学分析是用于确定结构在一定时间内对变化的载荷响应的一种分析方法。Ansys中瞬态动力学求解的是一般意义的运动方程，其形式可以总结[M]{u··}+[C]{u·}+[K]{u}={F（t）}（7）式中[M]———质量矩阵；[C]———阻尼矩阵；[K]———刚度矩阵；{u··}———节点加速度向量；{u·}———节点速度向量；{u}———节点位移向量；{F（t）}———载荷向量。以下将利用Ansys对上、下转向臂进行瞬态动力学分析，采用模态叠加法得到结构的瞬态响应，并计算在变化载荷作用下的结构随时间变化的应力。（1）有限元模型建立及网络划分在建立了上、下转向臂的实体模型后，首先需要对其进行有限元网格的划分。为了创建高质量的CAE模型，选用有限元网格划分软件HyperMesh对模型进行较为细致的网格划分，然后导入到Ansys进行瞬态动力学仿真。图4、图5所示分别为在HyperMesh中划分好的上、下转向臂网格模型。图4上转向臂有限元模型图5下转向臂有限元模型（2）模态分析在进行瞬态动力学分析之前，首先需要对转向臂进行模态分析，以确定瞬态分析中的载荷步长。上转向臂模态分析结果如表1所示，据此得到其最低响应频率为258.19Hz，确定载荷步长应小于0.00387s。表1上转向臂模态分析结果与上转向臂分析过程类似，下转向臂模态分析结果如表2所示，据此得到其最低响应频率为176.89Hz，定义载荷步长为0.005s。表2下转向臂模态分析结果（3）瞬态动力学响应根据转向臂各铰接点应力—时间历程曲线和模态分析结果，对瞬态分析中的载荷步长定为0.00387s，对转向臂4个螺栓孔施加位移约束，对上部与纵拉杆相连的铰接孔施加力学分析中得到的力，分析后得到上转向臂结构应力分布云图如图6所示，最大应力为590.81MPa，但此处为约束点，应舍去此点，实际最大值为406.3MPa。图6上转向臂应力分布同理可以得到下转向臂应力分布云图如图7所示，其最大应力值为409.17MPa，但因其为约束点应舍去，实际最大值为250.41MPa。图7下转向臂应力分布4结语（1）通过对转向机构的瞬态动力学分析，可知上转向臂最大应力为406.3MPa，下转向臂最大应力为250.41MPa，最大应力均小于许用应力，可以确保转向机构安全运行；（2）上、下转向臂最大应力均在结构折弯处，应力集中大，可考虑采用变截面设计加强局部强度；（3）通过瞬态动力学分析以及试验可以得到较为精确的模型载荷谱，为进一步疲劳分析以及寿命模态阶数频率/Hz1258.192583.873868.224956.4451551.362109.5模态阶数频率/Hz1176.892360.853412.654716.865800.361159.1590.81Max525.16459.52393.87328.23262.58196.94131.2985.6490.004834Min406.3409.17Max363.71318.24272.76227.32181.55136.3990.92845.4650.0021071Min250.41185中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

煤炭技术CoalTechnologyVol.33No.05May2014第33卷第05期2014年05月doi:10.13301/j.cnki.ct.2014.05.070预测奠定基础。参考文献：［1］戴绍诚，李世文，李芬，等.高产高效综合机械化采煤技术与装备［M］.北京：煤炭工业出版社，1998.［2］郑文纬，吴克坚.机械原理［M］.7版.北京：高等教育出版社，1997.［3］董磊，王步康，张宏，等.运煤车转向机构传动性能分析与试验研究［J］.煤炭学报，2012，37（S2）：489-493.［4］尚晓江，邱峰，赵海峰，等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.［5］小飒工作室.最新经典ANSYS及Workbench教程［M］.北京：电子工业出版社，2004.作者简介：叶竹刚（1979-），山西山阴人，工程师，工程硕士，研究方向：煤矿机械，电子信箱：yezhugang@126.com.责任编辑：郑万才收稿日期：2013－12－20!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!0引言我国山东胶东半岛的主要煤矿多分布于第三、四系冲积地层，煤层埋藏深度大，在煤矿深钻建井时需要穿过二叠纪不稳定的泥质胶结含煤基岩，由于第三、四系冲积地层中黏土含量多，黏土层的膨胀率、膨胀力都很大，致使该黏土层黏性很强，上述不利因素综合在一起，导致在此种地质条件下进行煤矿掘进建井困难重重，作业中掘进机钻头磨损十分严重。目前，煤矿井下掘进机使用的钻头直径为4~9m，重量可达110~160t，如此巨大的钻头在井下作业中不可能频繁更换，如何优化钻头设计及使用方法，减少磨损，提高掘进效率是当前煤矿掘进建井技术研究中的一项重要议题。国内外大量相关研究表明，煤矿掘进机工作性能与钻头直径及分级、截齿前向角与后向角大小、刀盘布局具有显著关联，本文从上述3个性能要素入手优化采煤掘进机钻头的设计。通过在枣庄柴里煤矿3#主井应用表明，在相同的地质及设备条件下，钻头磨损情况大为改善，建井速度提高显著，取得了较为满意的优化效果。1截齿结构优化与仿真1.1截齿结构优化掘进机钻头破碎煤岩主要依靠截齿，其结构如图1所示。（a）掘进机截齿前向角（b）掘进机截齿后向角图1煤矿建井掘进机钻头结构简图截齿截割能力与其前向角和后向角的选择相关，但在设计上，截齿的前向角和后向角是一对矛盾量。减小前向角，可以提高钻头的锋利度，但也加大煤矿建井掘进机钻头结构优化设计周启芬1，2，张朋1，2（1.齐鲁工业大学，济南250353；2.枣庄科技职业学院，山东枣庄277500）摘要：为了提高煤矿建井掘进机的工作性能，结合胶东半岛煤炭埋藏地层的地质特征，从掘进机截齿结构、钻头刀具设置、刀盘选型、钻头稳定器结构等方面优化了钻头设计，减低了钻头磨损，提高了掘进建井质量。关键词：煤矿；建井；钻头；结构优化中图分类号：TD421.5文献标志码：B文章编号：1008－8725（2014）05－0186－04OptimizationofBitStructureDesignforCoalMineWellConstructionTunnelBoringMachineZHOUQi-fen1，2，ZHANGPeng1，2（1.QiluUniversityofTechnology,Jinan250353,China;2.ZaozhuangVocationalCollegeofScienceandTechnology,Zaozhuang277500,China)Abstract:AccordingtothegeologicalcharacteristicsofthecoalburiedlayerofJiaodongpeninsula,thestructuredesignofbitwasoptimizedinordertoimprovetheworkingperformanceofthecoalminewellconstructiontunnelboringmachinefromsuchaspects:thestructureofcuttingpick,settingofdrillingtools,theknifedishtypeselection,optimizationdesignofbitstabilizerstructure,ect.Practicalapplicationshowsthattheoptimizationdesignreducesthewearofthebit,improvethequalityoftunnelingconstructionwell.Keywords:coalmine;wellconstruction;bit;structureoptimizationβα186中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net