一种纵轴式掘进机虚拟样机截割头载荷计算及加载方法与流程

本发明属于采掘设备虚拟样机
技术领域：
，具体涉及一种纵轴式掘进机虚拟样机截割头载荷计算及加载方法。
背景技术：
：悬臂式掘进机是综掘工作面关键设备之一，截割头作为掘进机破碎煤岩的关键部件，其消耗功率约占掘进机全部功率的70％～80％。截割头设计质量的好坏不仅会影响掘进机工作可靠性和使用寿命，还对掘进机的截割性能和截割经济性起决定作用，而基于实际工况的截割头载荷计算是截割头设计的重要一步。我国采掘设备制造厂商一直沿用传统的设计模式进行产品研发，一种新产品通常要经过多次试制、试验与改进才能投放市场。采掘机械的试制、试验成本高昂，致使反复性试验不够充分，加之对煤岩截割机理认知不足，难以发现产品存在的本质缺陷，直接导致了我国采掘设备在性能指标、技术水平及运行参数等诸多方面的落后，致使投放市场的产品具有先天不足，在市场上缺乏竞争力，严重制约了产品质量的提高和我国装备制造业的快速发展。目前，我国高产高效矿井所采用的大型设备，多为国外厂商生产制造，缺乏自主创新的产品。煤岩赋存条件及截割头与煤岩之间的双向耦合作用导致截割头受到的载荷具有非线性、冲击性和强耦合性，在计算机中采用简单的函数组合难以对其进行描述，因此，需要寻找一种合理、高效的方法，实现截割头载荷的模拟和加载，对掘进机研究和设计具有重要意义。技术实现要素：针对现有技术存在的不足，本发明提供一种纵轴式掘进机虚拟样机截割头载荷计算及加载方法。本发明的技术方案如下：一种纵轴式掘进机虚拟样机截割头载荷计算及加载方法，包括：步骤1：获取煤岩赋存条件，并储存于静态存储区中；所述煤岩赋存条件包括煤的赋存条件和岩的赋存条件，所述煤的赋存条件包括非地压影响区的煤层截割阻抗平均值、煤的脆性系数、矿压影响系数、煤的单轴抗压强度以及煤体受压状态系数；岩的赋存条件包括岩石接触强度。步骤2：通过adams提供的函数接口获取截割头的自转角速度，并计算截割头截割转速；步骤3：通过adams提供的函数接口获取悬臂的摆动角速度，并计算截齿的横向摆动速度；步骤4：依据镐齿破煤理论，利用煤岩赋存条件、截割头截割转速、截齿的横向摆动速度以及截齿的设计参数计算截齿的截割阻力、牵引阻力以及侧向阻力；步骤5：将截齿的截割阻力、牵引阻力以及侧向阻力进行正交分解，并依据力的平移定理将各截齿受力转化到截割头质心处，得到截割头所受三向力及三向力矩即截割头载荷；上述截割头所受三向力及三向力矩计算过程依据adams二次开发的规则，采用c语言编写实现，并编译为动态链接库文件。所述截割头载荷在adams中采用gforce来描述，并运用adams_c_gfosub函数实现。步骤6：通过adams将载荷施加于截割头质心处，具体过程为：运行adams掘进机虚拟样机，adams加载所述动态链接库文件，并将截割头、悬臂以及各回转中心的标记点的id传递给adams_c_gfosub函数，函数执行完成后，adams将函数当前的计算结果作为gforce所包含的三向力和三向力矩的值参与到虚拟样机仿真计算当中，实现载荷在截割头质心处的加载。有益效果：一种纵轴式掘进机虚拟样机截割头载荷计算及加载方法与现有技术相比，具有如下优势：(1)利用adams的二次开发接口，使用c语言实现了掘进机虚拟样机截割头载荷的实时计算及加载；(2)只需更改煤岩赋存条件即可完成不同工况下截割头载荷的施加，简化了载荷施加流程，提高了工作效率；(3)载荷计算过程中考虑了悬臂摆速和截割头转速的时变因素，使计算结果更准确；(4)采用本方法，在基于掘进机虚拟样机进行的虚拟实验中，能够发现掘进机设计中存在的不足，找出掘进机零部件中的薄弱环节。附图说明图1为本发明一种实施方式的纵轴式掘进机虚拟样机截割头载荷计算及加载方法流程图；图2为本发明一种实施方式的截齿受力示意图；图3为本发明一种实施方式的截齿受力转化示意图；图4为本发明一种实施方式的载荷计算过程流程图；图5为本发明一种实施方式的工况一下截割头载荷时间历程曲线图；图6为本发明一种实施方式的工况二下截割头载荷时间历程曲线图；图7为本发明一种实施方式的工况三下截割头载荷时间历程曲线图；图8为本发明一种实施方式的工况四下截割头载荷时间历程曲线图。具体实施方式下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。本实施方式中，如图1所示，一种纵轴式掘进机虚拟样机截割头载荷计算及加载方法，包括如下步骤：步骤1：获取煤岩赋存条件，并储存于静态存储区中；所述煤岩赋存条件包括煤的赋存条件和岩的赋存条件，所述煤的赋存条件包括非地压影响区的煤层截割阻抗平均值、煤的脆性系数、矿压影响系数、煤的单轴抗压强度以及煤体受压状态系数；所述岩的赋存条件包括岩石接触强度。步骤2：通过adams提供的函数接口获取截割头的自转角速度，并计算截割头截割转速；步骤3：通过adams提供的函数接口获取悬臂的摆动角速度，并计算各截齿的横向摆动速度；步骤4：提取截齿的设计参数，依据镐齿破煤理论，利用煤岩赋存条件、截割头截割转速、截齿的横向摆动速度以及截齿的设计参数计算截齿的截割阻力、牵引阻力以及侧向阻力；如图2所示，为截齿截割煤岩时的受力示意图；步骤4-1：依次计算参与切割煤岩的截齿j受到的截割阻力zj与牵引阻力yj：j＝1、2、…、n，n为截齿总数，本实施方式中，n＝42；当截齿j在截煤时，截齿j受到的截割阻力zj与牵引阻力yj的计算方法如下：锐利截齿在截煤时受到的截割阻力z0和牵引阻力y0分别为：y0＝(0.5～0.8)z0式中：——非地压影响区的煤层截割阻抗平均值，n/mm；bp——截齿工作部分计算宽度，cm；hjmax——截齿的最大切削厚度，cm；tcp——截齿的切屑宽度，cm；kz——外露自由表面系数；ky——截角的影响系数；——截齿前刃面形状影响系数；kc——截齿排列方式系数；kot——地压对煤壁影响系数；β——截齿对于牵引方向的偏转角，(°)；kψ——煤的脆性系数；θ——截齿所处位置角度，(°)。其中，截割头上第j个截齿的最大切屑厚度计算公式为：式中：hjmax——第j个齿的最大切屑厚度，mm；vbj——第j个截齿横向摆动速度，m/min；βj——第j个截齿安装轴线与截割头自转轴线的夹角；m——同一条截线上截齿数；n——截割头截割转速，r/min。对于被磨钝的截齿，在截煤时受到的截割阻力zj与牵引阻力yj为：zj＝z0+100f′δcmsakδyj＝y0+100δcmsakδ式中：f′——截割阻抗系数；δcm——煤的单向抗压强度，mpa；sa——截齿磨损面在截割平面上的投影面积，cm2；kδ——矿体应力状态体积系数。当截齿j在截割夹矸、断层、顶底板等岩层或岩石时，受到的截割阻力zj和牵引阻力yj计算方法如下：zj＝pk[ktkψk′ψkdk′y(0.25+1.8hjmaxsinθ·tcp)+0.1sj]yj＝2.5zj(0.15+0.00056pk)/(10hjmaxsinθ)0.4式中：pk——岩石的接触强度pk＝44·f1.5，mpa；kt——截齿的类型系数；kψ——硬质合金头形状系数；k′ψ——刀头部形状系数；kd——硬质合金刀头直径系数；k′y——截齿截角影响系数；sj——截夹矸时截齿磨损后，磨损面在截割平面上的投影面积，mm2；步骤4-2：计算参与切割煤岩的截齿j受到侧向阻力xj：截齿无论截割煤层还是岩石，除了受到截割阻力和牵引阻力外，还将受到侧向阻力，其计算公式为：式中：xj——侧向阻力，n；c1、c2、c3——与截齿的排列方式有关，顺序式分别取1.4，0.3，0.15；交叉式分别取1.0，0.22，0.10。步骤5：将截齿的截割阻力、牵引阻力以及侧向力进行正交分解，并依据力的平移定理将各截齿受力转化到截割头质心处，得到截割头所受三向力及三向力矩；如图3所示，为截齿受力转化为截割头受力的示意图，其中，cm为截割头质心；根据力的平移定理，将截齿j所受的截割阻力zj和牵引阻力yj转化到截割头自转轴线与该截齿所处截线的平面的交点处，并进行正交分解，得到截齿j三向力rxj、ryj、rzj，同时产生截割力矩mzj：rxj＝zj·sin(ω·t+φj)-yj·cos(ω·t+φj)mzj＝-zj·dj/2式中：ω——截割头转动的角速度，rad/s；φj——在t时刻，第j个截齿在截割头圆周方向的位置角，rad；dj——第j个齿的径向距离的二倍即直径；本实施方式中，截割头上截齿采用交叉式排列，其螺旋头数与每线截齿数的比值为2，截齿以一个间隔一个的顺序参与截割，形成两侧趋于对称的截槽，使截齿两侧的受力基本平衡，因此在计算时可忽略侧向力，故rzj＝0。将得到的各参考坐标系上的力及力矩转化到截割头质心cm处，得到t时刻截割头质心上的瞬时力rx、ry及力矩mx、my、mz：rx＝∑rxjry＝∑ryjmx＝∑ryj×ljmy＝-∑rxj×ljmz＝∑mzj＝-∑zj×dj/2其中，对于靠近截割头头部的截齿，lj取正值，靠近端面的截齿，lj取负值；所述参考坐标系是截割头自转轴线与截齿j所处截线的平面的交点处的坐标系，其方向与rxj等力的方向相同。上述截割头所受三向力及三向力矩计算过程，依据adams二次开发的规则，采用c语言编写实现，并被编译为动态链接库文件。所述截割头载荷在adams中采用gforce来描述，并运用adams_c_gfosub函数实现。本实施方式中，采用c语言编写三向力及三向力矩计算及载荷加载过程，具体实现方法如下：依据图4所示截割头载荷计算流程编制用户子程序，其中主函数依据adams给出的c语言版本gfosub函数类型编写，其定义为：typedefvoidadams_c_gfosub(conststructsadamsgforce*gfo,doubletime,intdflag,intiflag,double*result)；截割头转动角速度、截齿横摆角速度等运动参数通过adams的sysfnc函数获取，其c语言版本定义为：voidc_sysfnc(constchar*fncnam,constint*ipar,intnsize,double*states,int*errflg)；c程序编写完成后，保存为load.c文件。编译载荷计算c程序：在load.c存放目录打开adams命令提示符程序adams-commandprompt，输入如下命令：adams2015_1_x64cr-usernload.c-nch_load.dll编译得到ch_load.dll。步骤6：通过adams将载荷施加于截割头质心处，具体方法为：运用adams软件在掘进机截割头质心处添加gforce；打开修改gforce的对话框，在“程序”标签对应的文本框中输入所述的动态链接库文件的路径、名称以及其包含的载荷计算函数的名称即adams_c_gfosub函数，在“用户参数”标签对应的文本框中输入截割头、悬臂以及各回转中心的标记点的id；运行adams掘进机虚拟样机，adams加载所述动态链接库文件，并将截割头、悬臂以及各回转中心的标记点的id传递给adams_c_gfosub函数，函数执行完成后，adams将函数当前的计算结果作为gforce所包含的三向力和三向力矩的值参与到虚拟样机仿真计算当中，实现载荷在截割头质心处的加载。在如表1所示四种仿真工况下运行adams中掘进机虚拟样机，得到四种工况下截割头所受载荷曲线，如图5～8所示。表1四种仿真工况参数设置表工况序号阀口打开比例煤的坚固性系数岩的坚固性系数一100％1.49二100％2.50三100％26四100％09应当理解的是，对本领域普通技术人员而言，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应落入本发明要求的保护范围内。当前第1页12