[发明专利]一种刨煤机刨头结构综合优化方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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，要综合考虑刨头整机系统的刚度、振动特性、总体质量、稳定性等多方面的内容，如何在数量众多的设计参数和约束空间中实现刨头系统的综合多目标结构拓扑优化是刨煤机生产制造单位有待解决的重要议题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种使刨头结构达到刚度最大、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目标的刨煤机刨头结构综合优化方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种刨煤机刨头结构综合优化方法，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；