车载煤炭采样机制样装置的设计优化

王建飞， 王敬斌

（阳煤集团二矿， 山西 阳泉 045000）

引言

煤炭采样是煤炭煤质相关特性分析中最为重要的工序，对煤炭品质影响较大。目前常见的煤样制备方式有人工采样和机械采样。人工采样工作效率低，且在恶劣的环境下，工作人员难以长时间连续工作；机械采样常见的有桥式采样机、门式采样机和悬臂式采样机等，虽然大大提高了工作效率，降低了工人的劳动强度，但采用固定方式的采样设备，完成对煤堆不同位置和不同形式的采煤制样工作是很不容易的。

本文所研制的车载可移动式采样机制样装置，用ABAQUS软件对制样装置中关键部件回转台进行模态仿真分析，得到回转台的变形较为明显。为了改善这一现象，对转盘结构进行优化，并进一步验证结构优化的合理性。

1 制样装置的三维模型

车载煤炭采样机制样装置主要由三部分组成：传动机构、转台机构和封装机构。传动机构的作用是传递力和扭矩，并实现了工位之间的间歇切换，主要包括电机、减速机构、槽轮机构、联轴器等；转台机构的作用是切换料桶和定位夹紧，主要包括圆形工作台、集料筒、定位机构、夹紧机构等；封装机构的作用是完成抓盖、转移、对正和压盖密封等工序，主要包括桶盖、抓盖机构、升降机构、往复回转机构等[1]。煤炭采样机装置的结构组成如图1。

图1 制样装置三维图

2 采样机装置动态特性分析

各构件转动惯量

式中：ρi为各构件密度；Vi为各构件体积；di为各构件直径。

假设整个传动过程能量守恒，经计算可得各构件的转动惯量如表1所示。

表1 制样装置传动系统各构件的转动惯量

式中：ωn为固有频率；J为总转动惯量；K为扭转刚度。

由表1可知J=37.52 kg/m2，查阅资料知K=1.25，故 ωn=0.18 Hz。

由表1可知，回转台的转动惯量最大，且转动惯量数量级数远远超过其他各构件的转动惯量级数。由式（2）可知，回转台对系统的固有频率有很大影响，因此需对采样机往复回转机构进行模态振动分析[2]。

3 往复回转机构模态分析

3.1 回转机构模态分析数学模型

往复回转机构的模态反映了其振动特性，为采样机整体结构的系统振动特性分析及其结构优化起重要作用。本文采用提取特征值的方法[3]，其运动的线性微分方程为

式中：[M]为质量矩阵；[K]为刚度矩阵；为加速度向量；{x（t）}为位移向量。

假设结构做简谐运动，则：

由此可得：

由此计算可得系统的固有频率和振型。

3.2 模态仿真图

本文采用Lanczos法，对前六阶进行模态分析[4]，应用ABAQUS软件可得回转台的固有频率和振型如表2所示，各阶模态振型图如图2所示。

表2 往复回转机构的固有频率及其模态振型

由表1和图2可知，在三阶模态振型下，主要是由于共振现象产生，采料桶和往复回转机构在共振作用下均出现不同程度的结构变形，其中，转盘的形变比较显著。分析其原因为：转盘在工作时承受了来自料桶、煤样和传动系统的较大的扭转力作用，对其整体结构的抗振性能具有较高的要求，因此，有必要开展对转盘的结构优化研究。

4 转盘结构优化

由前面计算可知，系统的固有频率0.18 Hz，为避免出现共振现象，需改变转盘的固有频率，对转盘采取的结构优化设计措施如下：一是在转盘上各主要采样桶之间添加一定数量的加强筋；二是增加转盘底座厚度，提高转盘结构强度，降低转台机构在启停瞬间受到较大程度的冲击作用[5]。结构优化后的转盘三维模型如图3所示。

表3 结构优化后往复回转台的固有频率和振型

通过对改进后的转盘进行模态分析，得到回转台在前六阶模态下的固有频率和振型结果，其结果如表3所示。

5 结论

1）设计了一种车载煤炭采样机制样装置，并对其进行了动态特性分析，得出回转台的转动惯量远远大于其他构件；

2）通过ABAQUS软件制样装置的关键部件回转台进行模态分析，从回转台的固有频率和振型图可知，回转台的变形较大，针对这个现象，对转盘结构优化设计；

3）经对比转盘优化前后的模态振型可知，结构优化后的转盘不再有明显的变形，即优化是合理和有效的，也进一步验证了制样装置结构设计的合理性。