一种刨煤机刨头结构综合优化方法技术

本发明专利技术提供一种刨煤机刨头结构综合优化方法，包括刨头系统初始模型参数化构建及刨头系统整机结构特性分析；刨头系统刚度、强度薄弱结构组件增强设计，及刨头系统刚度、强度富余结构组件结构尺寸优化；刨头系统总基体多目标结构拓扑优化，从而使刨头总基体结构达到刨头结构刚度最大、刨头受迫振动频率最大、刨头总体质量最轻、刨头屈曲稳定性最优的目标，上述优化方法综合考虑多方面的参数影响，可设计出最合理、性能最优的刨煤机刨头结构。

Comprehensive optimization method for plow head structure

The invention provides a plow head structure of coal plough comprehensive optimization method, including the initial model parameters of plow head structure characteristic analysis system construction and system of the plow head; strength of weak structural component design enhanced stiffness, plow head system and plow head system stiffness and strength of surplus structure component size optimization structure; total matrix plow head system multi-objective topology optimization structure, so that the plow head general base structure to achieve the maximum stiffness of plow head structure and a digging head forced vibration frequency, the maximum overall quality of the plow head light, head plane buckling stability optimization, the optimization method considering various influence parameters, can design the most reasonable, the optimal performance of the coal plow head structure.

【技术实现步骤摘要】
一种刨煤机刨头结构综合优化方法
本专利技术涉及煤矿矿用开采设备的设计方法，特别是涉及一种刨煤机刨头结构综合优化方法。
技术介绍
刨煤机采煤技术是实现薄与极薄煤层工作面、煤与瓦斯突出工作面机械化、自动化开采的重要技术手段。装有刨刀的刨头在刨链牵引下，沿采煤工作面刮板输送机的中部槽导轨刨削煤岩，实现煤岩的开采与运输。刨头系统是刨煤机的主要工作执行机构，通常由刨头基体、左右刨体、左右回转体、左右底刀架、左右顶刀架、盖板与刨刀等结构组件共同组成。在煤岩刨削过程中，刨头系统所受载荷复杂多变，工况恶劣，其结构设计的优劣将直接影响刨煤机整体工作性能。现有的刨头设计多结合设计者经验进行设计，往往通过盲目增加刨头系统质量与结构尺寸来实现结构强度的提升，从而保证其运行可靠性，这也导致所设计刨头系统在煤层厚度非常有限的开采空间内异常笨重，强度富余量大，整机能耗高。随着有限元技术、优化设计方法、拓扑设计方法的不断发展和应用，围绕刨煤机单体零部件开展的优化设计理论方法得到了一定的应用，但在含有多结构体的刨头整机系统结构拓扑综合优化设计方法应用领域仍未有成熟设计方法。刨头系统设计是一个多目标优化设计问题，要综合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种刨煤机刨头结构综合优化方法，其特征在于，以刨头结构刚度最大、刨头受迫振动频率最大、刨头总体质量最轻、刨头屈曲稳定性最优为多目标优化设计目标，以刨头基体、左右刨体、左右回转体、左右底刀架、左右顶刀架、盖板的结构参数化尺寸与空间拓扑结构形态为设计变量，以刨头结构强度、刨头屈曲特征值、刨头最大形变量、刨头整体结构长、宽、高尺寸及体积参数为约束条件，进行刨头结构的综合优化，包括以下步骤：步骤一：刨头系统初始模型参数化构建及刨头系统整机结构特性分析；建立刨头零部件的三维几何模型，基于参数化建模技术，构建盖板、刨头基体、左右刨体、左右回转体、左右底刀架、左右顶刀架的初始结构模型；建立刨头系统整体结构的...

【技术特征摘要】
1.一种刨煤机刨头结构综合优化方法，其特征在于，以刨头结构刚度最大、刨头受迫振动频率最大、刨头总体质量最轻、刨头屈曲稳定性最优为多目标优化设计目标，以刨头基体、左右刨体、左右回转体、左右底刀架、左右顶刀架、盖板的结构参数化尺寸与空间拓扑结构形态为设计变量，以刨头结构强度、刨头屈曲特征值、刨头最大形变量、刨头整体结构长、宽、高尺寸及体积参数为约束条件，进行刨头结构的综合优化，包括以下步骤：步骤一：刨头系统初始模型参数化构建及刨头系统整机结构特性分析；建立刨头零部件的三维几何模型，基于参数化建模技术，构建盖板、刨头基体、左右刨体、左右回转体、左右底刀架、左右顶刀架的初始结构模型；建立刨头系统整体结构的结合面接触刚度模型，基于赫兹接触模型，建立刨头基体-左右刨体接触刚度等效模型、左右刨体-左右回转体接触刚度等效模型、左右刨体-左右顶刀架接触刚度等效模型、左右回转体-左右底刀架接触刚度等效模型，求解刨头系统在刨削载荷作用下的等效刚度参数值；对刨头系统建立有限元分析模型，对零部件进行结构的简化、装配，去除较小的过渡圆角、圆孔、凹孔与凸台，赋予各个零部件相应的材料弹性模量、泊松比、密度、屈服强度、抗拉强度，进行刨头系统的有限元网格划分，结合上述步骤中所建立的各结合面接触刚度模型，采用弹簧阻尼单元对结合面进行等效处理，输入已确定的各结合面特性等效参数，添加刨头有限元模型的载荷边界条件与约束条件，进行刨头系统整机有限元刚度特性分析与受迫振动频率分析，显示刨头系统结构等效应力、模态分析、谐响应分析结果，从而得到整机及组成零部件综合变形量与系统静、动刚度，固有频率、模态振型，获得刨头系统在动态刨削负载简谐力激振下的应力频谱，完成刨头系统刚度、强度薄弱结构组件和刚度、强度富余结构组件的分析；步骤二：刨头系统刚度、强度薄弱结构组件增强设计，及刨头系统刚度、强度富余结构组件结构尺寸优化；对需要进行增强的零部件进行设计结构域分割，其中各零部件装配结合面设定为不可设计结构域，其它区域为可设计结构域，根据步骤一中对刨头系统的有限元分析结果，确定刨头系统初始零部件负载最大区域，对零部件可设计结构域采取改变结构参数或增大安全系数或增加附属结构的方式完成刚度、强度薄弱结构组件的结构增强设计，并重复步骤一中的有限元分析过程，直至所有刚度、强度薄弱结构组件满足材料强度与结构刚度要求；对左右刨体滑靴搭接结合面尺寸参数进行优化，在有限元软件的结构优化设计模块中，设定左右刨体滑靴搭接结合面低阶固有频率高、挠度变形小为目标函数，设定各设计变量结构尺寸范围，设定相应约束值，建立优化分析试验各参数样本点，采用正交实验设计方法完成实验方案的设计，依据所设计的实验方案建立左右刨体滑靴搭接结合面的多目标结构尺寸参数优化设计模型并开展验算；对左右底刀架、左右顶刀架上的相邻刨刀座水平排距，相邻刨刀座位姿角参数进行优化，在有限元软件的结构优化设计模块中，设定左右底刀架、左右顶刀架低阶固有频率最高、屈曲稳定性最优为目标函数，设定各设计变量结构尺寸范围，设定相应约束值，建立优化分析试验各参数样本点，采用正交实验设计方法完成实验方案的设计，依据所设计的实验方案建立左右底刀架、左右顶刀架上相邻刨刀座水平排距，相邻刨刀座位姿角的多目标结构尺寸参数优化设计模型并开展验算；结合上述各步骤的参数优化结果，进一步修正刨头系统结构尺寸参数，完成刨头系统结构模型重建；步骤三：刨头系统总基体多目标结构拓扑优化；将步骤二所构建的新刨头模型的刨头盖板、刨头基体、左右刨体、左右底刀架、左右顶刀架之间结合面做固接绑定处理，构建除左右回转体的刨头结构总基体，基于参数化建模技术，对结构参数进行参数化驱动，对总基体进行设计域分割，确定刨头盖板、左右回转体、刨头基体、左右刨体、左右底刀架、左右顶刀架之间的装配结合面为不可设计结构域，其它区域为可设计结构域，建立以刨头系统总基体结构刚度最大、总基体低阶固有频率最高、总基体总体质量最轻、总基体屈曲稳定性最优为多目标的结构拓扑优化设计模型，去除伪密度值小于0.2的结构单元，结合优化设计参数，完成刨头系统总基体的结构拓扑再设计，重复进行步骤一，完成刨头结构优化方案的验证。2.根据权利要求1所述的刨煤机刨头结构综合优化方法，其特征在于：步骤一中建立三维几何模型时需要参数化的几何尺寸包括：盖板厚度、长度、宽度，盖板下联接销直径；左右刨体高度、宽度，左右刨体滑靴搭接面厚度、宽度、长度尺寸参数；刨头基体联接销孔直径，刨头基体背板横向筋板厚度、纵向筋板厚度、竖向筋板厚度；左右顶刀架相邻刨刀座水平排距，左右顶刀架相邻刨刀座位姿角；左右底刀架相邻刨刀座水平排距，左右底刀架相邻刨刀座位姿角。3.根据权利要求1所述的刨煤机刨头结构综合优化方法，其特征在于：步骤一中添加刨头有限元模型的载荷边界条件与约束条件，包括：刨头基体与刮板输送机中部槽导轨间摩擦力；左右刨体与刮板输送机中部槽导轨间摩擦力；沿煤壁走向迎煤一侧刨体牵引组件结构上的刨链拉力；作用于左右顶刀架、左右底刀架，左右回转体及左右刨体表面的煤岩挤压力；作用于迎煤一侧刨体装煤犁形槽与迎煤一侧底刀架上的挤压装煤力；作用于迎煤一侧刀架上的刨削阻力。4.根据权利要求3所述的刨煤机刨头结构综合优化方法，其特征在于：步骤一中刨头系统在刨削载荷作用下的等效刚度参数计算为：刨头牵引力：T＝X+F1+F2+Fk+Fr+To式中，X为作用在刨头X方向的合力；F1、F2、Fk、Fr为摩擦阻力，且Fk＝μ1Gk、Fr＝μ1Rn，μ为刨头与运输机之间的摩擦系数，一般为0.3，μ1为刨头与底板之间的摩擦系数，一般为0.3-0.6；为...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭辰光，赵丽娟，岳海涛，胡迪，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21