康　健

（太重煤機(jī)有限公司，山西 太原 030024）

采煤機(jī)行走輪參數(shù)化分析軟件設(shè)計(jì)

康健

（太重煤機(jī)有限公司，山西 太原 030024）

摘 要針對(duì)電牽引采煤機(jī)漸開線行走輪在ANSYS分析中存在的問題，提出運(yùn)用APDL語言命令直接建模，并通過VB與ANSYS的交互運(yùn)行途徑，設(shè)計(jì)了基于VB界面和程序的軟件，實(shí)現(xiàn)了利用VB界面直接輸入?yún)?shù)并調(diào)用ANSYS對(duì)行走輪自動(dòng)建模、加載和計(jì)算的有限元分析。驗(yàn)證結(jié)果表明，該軟件減少了設(shè)計(jì)人員的重復(fù)勞動(dòng)，提高了行走輪的設(shè)計(jì)效率和水平，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞漸開線行走輪；交互運(yùn)行；ANSYS；VB

現(xiàn)代長壁工作面采煤機(jī)是綜采工作面關(guān)鍵設(shè)備之一。采煤機(jī)每一個(gè)零部件的正常工作與否直接影響到采煤機(jī)的正常工作乃至整個(gè)工作面的正常生產(chǎn)，大多采用行走輪與銷排嚙合實(shí)現(xiàn)行走，采煤機(jī)行走輪既是一個(gè)關(guān)鍵零件又是個(gè)整機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，是最易發(fā)生故障的部件之一，其非正常斷裂嚴(yán)重影響著采煤機(jī)機(jī)組的正常運(yùn)行，因此，盡可能準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出行走輪的結(jié)構(gòu)尺寸是從根本上解決問題的關(guān)鍵。目前，大多數(shù)設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)分析都是采用在三維軟件中建模后導(dǎo)入有限元分析軟件（以ANSYS用的較多）進(jìn)行分析，再在ANSYS中賦予材質(zhì)、施加約束、加載載荷，非常耗時(shí)。本文力圖運(yùn)用有著良好開發(fā)界面優(yōu)點(diǎn)的VB并結(jié)合具有強(qiáng)大分析功能的ANSYS開發(fā)出一種專用分析軟件，實(shí)現(xiàn)在VB界面中輸入行走輪結(jié)構(gòu)參數(shù)和載荷參數(shù)，一鍵即可調(diào)用ANSYS進(jìn)行分析，得出此種大模數(shù)齒輪在載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)情況，為行走輪的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考，達(dá)到節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和人力，降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)水平的目的。

1　模型分析與建立

1.1幾何模型分析

目前，采煤機(jī)無鏈牽引機(jī)構(gòu)中，主動(dòng)輪－齒軌式性能最佳，也最為常見。由于漸開線齒廓比擺線齒廓更容易保證計(jì)算準(zhǔn)確性，國內(nèi)外采煤機(jī)多采用與大節(jié)距銷排嚙合的漸開線齒廓行走輪?，F(xiàn)以使用比較廣泛的漸開線行走輪為例，從理論上分析，這種行走輪的嚙合傳動(dòng)特征屬于非共軛嚙合，因而其傳動(dòng)比是非恒定的，在傳動(dòng)過程中兩個(gè)齒交替嚙合時(shí)傳動(dòng)比會(huì)發(fā)生突變。

1.2ANSYS建模

ANSYS是Analysis System的縮寫，是一種廣泛性的商業(yè)套裝工程分析軟件，由世界上著名的有限元分析軟件公司ANSYS開發(fā)，能與大多數(shù)CAD軟件結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換?；竟δ苡校航Y(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析等，高級(jí)功能有多物理場耦合分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化等。

對(duì)于簡單的模型，可以在ANSYS里直接建模，對(duì)于特別復(fù)雜的模型，建立過程復(fù)雜且工作量大，對(duì)于專于行走輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的人員一般存在一定的難度。經(jīng)過分析和試驗(yàn)摸索出了一套建模的方法，運(yùn)用該方法不僅能避免使用第三方三維造型軟件帶來的建模操作的麻煩，也容易實(shí)現(xiàn)在ANSYS軟件中建模的參數(shù)化，同時(shí)節(jié)約了分析時(shí)間，更能使使用者在無需會(huì)使用造型軟件和ANSYS軟件的情況下對(duì)模型進(jìn)行分析，有利于有限元分析軟件的廣泛應(yīng)用與普及。

1.2.1在ANSYS中建立漸開線的方法

行走輪的結(jié)構(gòu)雖然較為復(fù)雜，但實(shí)體建模一般可按照自下而上建模原則并結(jié)合布爾運(yùn)算完成，最難的建模工作在于漸開線齒廓的創(chuàng)建，現(xiàn)將該部分命令流給出如下：

csys，4！激活工作坐標(biāo)系

wprot，－angle3，0，0！初始偏轉(zhuǎn)角度

K，1，0，0！繪制原點(diǎn)（編號(hào)為1）

*do，t，0，1，0.01！循環(huán)描點(diǎn)操作

*SET，x，rb*（cos（t）＋t*sin（t））！計(jì)算漸開線離散點(diǎn)x坐標(biāo)

*SET，y，rb*（sin（t）－t*cos（t））！計(jì)算漸開線離散點(diǎn)y坐標(biāo)

k，，x，y，0！開始描點(diǎn)

*enddo

flst，3，101，3！連點(diǎn)成線開始

*do，t，2，102

fitem，3，t

*enddo

bsplin，，p51x！實(shí)施多意線連點(diǎn)成線

1.2.2力學(xué)模型建立

行走輪的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力是典型的非線性問題，傳統(tǒng)的計(jì)算設(shè)計(jì)方法是將非線性問題進(jìn)行一定的簡化和假設(shè)，近似成線性問題處理，以采煤機(jī)行走輪的齒根彎曲應(yīng)力為例，傳統(tǒng)的計(jì)算方法計(jì)算得到的應(yīng)力一般偏大，按此設(shè)計(jì)的行走輪承載能力存在浪費(fèi)，而擅長求解非線性問題的ANSYS軟件則可以較好地解決這個(gè)問題。力學(xué)模型的建立關(guān)系到分析的準(zhǔn)確程度和成敗，一般對(duì)行走輪的齒根彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度分析可總結(jié)為兩條路徑：一種是直接給行走輪頂加最大載荷，分析齒根彎曲強(qiáng)度，在這種方法中，由于齒頂齒面的壓力角的影響，要把牽引阻力轉(zhuǎn)換后再以正壓力的方式施加，期間涉及人工計(jì)算較為繁瑣和耗時(shí)；另一種先定義一個(gè)接觸對(duì)，采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析行走輪嚙合過程中的響應(yīng)變化，雖然避免了上述計(jì)算，但后者由于載荷步數(shù)多，使計(jì)算機(jī)計(jì)算的時(shí)間變長，而且行走輪在實(shí)際工作中轉(zhuǎn)速不高，嚙入嚙出較為緩慢，采取最大載荷時(shí)狀態(tài)進(jìn)行靜力學(xué)分析已經(jīng)能夠非常逼近實(shí)際工作情況。對(duì)比兩者的優(yōu)劣性后，將二者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合建立一種接觸對(duì)模型，該模型模擬并反映行走輪實(shí)際工作中剛剛嚙入時(shí)也是載荷沖擊最大時(shí)的工作狀態(tài)，同時(shí)從安全角度考慮，假設(shè)所有牽引阻力全部加載在一對(duì)齒上。

2　軟件功能與程序流程圖

2.1軟件功能

由于VB擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應(yīng)用程序開發(fā)（RAD）系統(tǒng)，程序員可以輕松地使用VB提供的組件快速建立一個(gè)應(yīng)用程序?；谲浖旧淼娜蝿?wù)設(shè)計(jì)了以下功能（見圖1）.

圖1　軟件功能示意圖

2.2程序流程圖

程序流程圖見圖2.

圖2　程序流程圖

2.3窗口界面設(shè)計(jì)

良好的界面能夠準(zhǔn)確而快速地傳遞給使用者各種提示信息，據(jù)軟件所設(shè)置的功能并結(jié)合軟件開發(fā)原理，該軟件界面設(shè)計(jì)成了參數(shù)輸入和結(jié)果輸出與查看兩個(gè)界面，見圖3，圖4.結(jié)構(gòu)分析中，最關(guān)心的是應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)情況，ANSYS計(jì)算結(jié)果中的等值云圖使構(gòu)件對(duì)外載荷的響應(yīng)一目了然，將這些信息以圖片形式實(shí)行存儲(chǔ)，然后在VB中通過創(chuàng)建一個(gè)包含image控件和控制按鈕的結(jié)果輸出窗口，通過編寫相應(yīng)的程序就可調(diào)用所需的云圖并顯示，從而實(shí)現(xiàn)非常便捷的查看行走輪的承載能力的目的。

3　VB與ANSYS交互運(yùn)行設(shè)置與實(shí)現(xiàn)

3.1VB啟動(dòng)ANSYS過程

高級(jí)計(jì)算機(jī)語言VB擁有比較豐富的函數(shù)調(diào)用功能，不但允許用戶對(duì)內(nèi)部函數(shù)調(diào)用，還可以調(diào)用其他能在DOS和Windows下運(yùn)行的應(yīng)用程序，這里利用它的Shell函數(shù)調(diào)用ANSYS，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)ANSYS，方法是在VB程序塊中寫入以下命令即可完成調(diào)用。Star＝Shell（“c：＼Program Files＼Ansys Inc＼v100＼ANSYS＼bin＼intel＼ansys100.exe－g－i d：＼Gear＼Gear_anly.txt”）

其中：1）Star—任意的英文字母，用于接受函數(shù)的返回值。2）c：＼Program Files＼Ansys Inc＼v100＼ANSYS＼bin＼intel＼ansys100.exe—ANSYS的安裝路徑，本文中所使用的版本為ANSYS10.0.3）d：＼Gear＼Gear _anly.txt—ANSYS啟動(dòng)后所接受到的命令流所在的*.txt文件名稱和文件路徑。

3.2VB界面參數(shù)向后臺(tái)ANSYS傳遞過程

軟件能否運(yùn)行成功，實(shí)現(xiàn)ANSYS按照輸入?yún)?shù)正確的建模、劃分網(wǎng)格和計(jì)算等操作，在于VB界面中的參數(shù)能否正確傳遞給ANSYS軟件。VB對(duì)二進(jìn)制文件的打開、關(guān)閉和讀寫操作非常方便，查相關(guān)教材就可得到使用方法。這里采用以下方法將在VB界面的行走輪幾何參數(shù)、載荷參數(shù)以及材質(zhì)屬性等數(shù)據(jù)首先寫入一個(gè)*.txt文件中，文件中每一個(gè)參數(shù)都要賦予一個(gè)專用的英文字母代號(hào)，同時(shí)注意每一條命令流后面應(yīng)追加一個(gè)回車符表示一條命令的結(jié)束，如此形成APDL命令流文件，方便在ANSYS中進(jìn)行參數(shù)化建模和計(jì)算時(shí)用調(diào)用。

圖3　輸入界面圖

圖4　顯示界面圖

以上操作的主要程序指令：

Open＂d：＼Gear＼Gear_anly_head.txt＂For Output As＃1‘打開一個(gè)文件

Print＃1，＂／prep7＂

Print＃1，＂Z＝＂；Form2.Text1.Text；‘寫入?yún)?shù)Z

Print＃1，＂D＝＂；Form2.Text2.Text；‘寫入?yún)?shù)D

……

Close＃1‘文件寫結(jié)束，關(guān)閉文件

其中，Gear_anly_head.txt是將要寫入以上內(nèi)容的文件的名稱。

然后再在此文件內(nèi)容后追加通用操作命令流，其內(nèi)容包括幾何建模、劃分網(wǎng)格、定義材質(zhì)、施加載荷，施加約束、計(jì)算和后處理操作。

追加內(nèi)容的程序指令與說明：

Open＂d：＼Gear＼Gear_anly_head.txt＂For Input As＃2‘打開一個(gè)Gear_anly_head.txt文件

Open＂d：＼Gear＼Gear_anly_base.txt＂For Append As＃1‘打開另一個(gè)Gear_anly_base.txt文件

Do While Not EOF（1）‘判斷是否是文件最后一行

Line Input＃1，TextLine‘讀1＃文件到內(nèi)存

Print＃2，TextLine‘寫入2＃文件

Loop

Close＃1‘文件寫結(jié)束，關(guān)閉1＃文件

Close＃2‘文件寫結(jié)束，關(guān)閉2＃文件

其中，Gear_anly_base.txt文件中的內(nèi)容包括建模、劃分網(wǎng)格、施加約束等命令，需要事先寫入并按照上述路徑保存在某計(jì)算機(jī)硬盤。

3.3輸出結(jié)果

以下是生成等值應(yīng)變云圖的主要指令：

／REPLOT

jpgprf，700，300，1！定義圖片格式（背景、大?。?/p>

／show，jpeg！生成圖片

plnsol，u，sum，0，1，0！設(shè)置為應(yīng)變輸出

4　實(shí)例分析

某電牽引采煤機(jī)行走輪主體材質(zhì)是17Cr2Ni2Mo，有關(guān)參數(shù)見表1.

4.1理論計(jì)算

行走輪應(yīng)力計(jì)算可以按照齒輪計(jì)算，其中彎曲應(yīng)

力計(jì)算公式為：

式中：σF—彎曲應(yīng)力，Pa；

Ft—圓周力，N；

YFa—齒形系數(shù)；

Ysa—應(yīng)力修正系數(shù)；

Yε—重合度系數(shù)；

Yβ—螺旋角系數(shù)；

KA—使用系數(shù)；

KV—?jiǎng)虞d荷系數(shù)；

KFβ—齒向載荷分布系數(shù)；

KFα—齒間載荷分布系數(shù)；

b—齒寬，mm；

m—法向模數(shù).

計(jì)算系數(shù)選取表見表2.

表2　計(jì)算系數(shù)選取表

根據(jù)以上可計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力：σF＝248.3 MPa.

4.2軟件計(jì)算與比較

經(jīng)過軟件分析，最終的應(yīng)力情況見圖5.經(jīng)比較可發(fā)現(xiàn)軟件計(jì)算分析得出的應(yīng)力云圖最大值約為239 MPa，與理論分析結(jié)果基本相符，又用ANSYS直接進(jìn)行分析，得出的結(jié)果與軟件分析結(jié)果基本相同。

表1　計(jì)算參數(shù)表

圖5　最終應(yīng)力情況云圖

該軟件將VB豐富的函數(shù)調(diào)用指令以及面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境優(yōu)勢與ANSYS的基于APDL命令流方便的進(jìn)行參數(shù)化建模和計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)在無需人工進(jìn)行三維建模軟件操作和ANSYS操作的情況下即可完成行走輪的分析，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平，使設(shè)計(jì)人員避免了重復(fù)性勞動(dòng)，有利于設(shè)計(jì)者節(jié)省時(shí)間和精力來進(jìn)行行走輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，為設(shè)計(jì)出具有更高可靠性和更好經(jīng)濟(jì)效益的行走輪提供了新的工具。

5　結(jié) 語

分析了電牽引采煤機(jī)漸開線行走輪在ANSYS分析中存在的問題，給出運(yùn)用APDL語言命令直接建模的方法，探索了VB與ANSYS聯(lián)合運(yùn)行與數(shù)據(jù)傳遞的方法，設(shè)計(jì)了VB界面、擬定程序流程圖，編制了整套程序，并對(duì)最終軟件進(jìn)行了調(diào)試、驗(yàn)證。結(jié)果表明，開發(fā)出的專業(yè)軟件可減少設(shè)計(jì)人員的重復(fù)性勞動(dòng)，提高行走輪設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 劉偉忠.關(guān)于采煤機(jī)行走輪的分析［J］.煤炭技術(shù)，2008（8）：64－65.

［2］ 宋學(xué)平.采煤機(jī)行走輪齒廓研究［J］.煤礦機(jī)電，2008（2）：44－45.

［3］ 馮建軍.淺析采煤機(jī)行走輪輪齒斷齒現(xiàn)象［J］.煤礦機(jī)電，2008（1）：35－36.

中圖分類號(hào)：TD63＋2.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672－0652（2015）02－0053－04

收稿日期：2014－12－22

作者簡介：康 ?。?963—），男，山西太原人，1985年畢業(yè)于太原科技大學(xué)，工程師，主要從事煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)銷售工作（E－mail）kj18935128681＠163.com

Design of Parameterization Analysis Software in Shearer Walking Wheel

KANG Jian

AbstractAiming at the existing problem of electric traction shearer involute walking wheel on ANSYS analysis，presents direct modeling by using APDL language command，through interactive operation way between VB and ANSYS，designs a software that based on VB interface and program，realizes the direct input parameters using VB interface，and works out the finite element analysis for direct modeling，loading and calculating of walking wheel with ANSYS.Verification results show that the software reduces the rehandling of designers，improves the design efficiency and design level of walking wheel，it has a certain engineering practical value.

Key wordsInvolute walking wheel；Interactive operation；ANSYS；VB