主要以钻削式采煤机钻削机构为例,应用ANSYS软件和ADAMS软件,构建刚柔耦合的系统动力学模型并对钻杆进行柔化,通过对钻削机构的受迫振动分析,得到螺旋钻头的振动及受力情况,为进一步优化采煤机钻削机构提供理论参考。
### 基于ANSYS和ADMAS的采煤机钻削机构动力学分析
#### 一、引言
采煤机作为煤炭开采的关键设备之一，其钻削机构的动力学特性直接影响到采煤效率和安全性。钻削式采煤机的工作过程中，钻削机构不仅要承受自身的重量、扭矩以及与煤岩接触产生的碰撞力等多种复杂力的作用，还需要考虑钻削过程中的振动问题。为了深入理解这些动力学现象，并为钻削机构的设计优化提供科学依据，本研究采用ANSYS和ADAMS两款专业软件，构建了一个刚柔耦合的系统动力学模型。
#### 二、系统动力学模型构建
##### 2.1 模型假设
- **钻杆模型**: 假设钻削机构中的螺旋钻杆为均质杆，其轴线与钻孔轴线完全重合。
- **钻杆运动**: 钻杆输入转速保持恒定，螺旋钻头在横断面上的横向振动可以分解为x和y两个方向的振动。
- **非线性特性**: 由于钻削系统的高度非线性特点，可以将其视为一个多自由度系统。
##### 2.2 振动方程
采煤机钻削机构的振动方程可以表示为：
\[mu\ddot{u} + cu\dot{u} + ku = F\]
其中：
- \(m\) —— 采煤机钻削机构的质量矩阵；
- \(c\) —— 采煤机钻削机构的阻尼矩阵；
- \(k\) —— 采煤机钻削机构的刚度矩阵；
- \(u\ddot{u}\)、\(u\dot{u}\)、\(u\) —— 分别表示采煤机螺旋钻杆的加速度、速度和位移矢量；
- \(F\) —— 采煤机钻削机构的等效外载荷矢量。
##### 2.3 单元离散化
将钻杆离散为多个单元（如图1所示），每个单元分别代表钻杆的一部分。这种离散化方法有助于更精确地模拟钻杆的实际行为。
#### 三、刚柔耦合模型的建立
##### 3.1 柔性体替换
将钻削机构导入ADAMS后，进行柔性体替换。此步骤是通过引入模态中性文件（MNF）实现的，该文件包含了钻削机构的动态特性信息。
##### 3.2 MNF文件的生成
- 使用Pro/E创建螺旋钻杆模型，并将其保存为.igs格式文件。
- 利用ANSYS读取该文件，并完成相应的属性设置和网格划分。
- 定义刚性区域，以便在后续分析中区分钻杆的不同部分。
- 输出MNF文件时，需要进行单位转换。具体设置如下：Length Factor为1000，Mass Factor为0.001，Force Factor和Time Factor均为1。
#### 四、仿真流程
图2展示了钻削机构的仿真流程。这一过程包括以下几个关键步骤：
1. **建立三维实体模型**：定义缸体和约束副。
2. **ANSYS零件模型**：定义单元格类型、材料属性，进行网格划分。
3. **刚性区域定义**：确定模型中哪些部分需要保持刚性。
4. **输出MNF文件**：用于ADAMS中的柔性体替换。
5. **ADAMS模型**：基于MNF文件建立完整的模型。
6. **定义输入/输出通道**：设置仿真所需的边界条件。
7. **求解**：执行仿真计算。
8. **后处理与结果分析**：评估模型的表现，并分析螺旋钻头的振动及受力情况。
#### 五、结论
通过上述分析，我们可以获得关于螺旋钻头振动特性和受力分布的重要信息，这对于优化采煤机钻削机构设计具有重要的理论价值。此外，这种方法还可以帮助我们更好地理解钻削过程中的动力学行为，从而提高采煤效率和安全性。未来的研究可以进一步探索不同工作条件下钻削机构的动力学性能，以及如何通过改进设计来降低振动和提高效率。
