采煤机行走轮参数化分析软件设计

康　健

（太重煤机有限公司，山西 太原 030024）

采煤机行走轮参数化分析软件设计

康健

（太重煤机有限公司，山西 太原 030024）

摘 要针对电牵引采煤机渐开线行走轮在ANSYS分析中存在的问题，提出运用APDL语言命令直接建模，并通过VB与ANSYS的交互运行途径，设计了基于VB界面和程序的软件，实现了利用VB界面直接输入参数并调用ANSYS对行走轮自动建模、加载和计算的有限元分析。验证结果表明，该软件减少了设计人员的重复劳动，提高了行走轮的设计效率和水平，具有一定的工程实用价值。

关键词渐开线行走轮；交互运行；ANSYS；VB

现代长壁工作面采煤机是综采工作面关键设备之一。采煤机每一个零部件的正常工作与否直接影响到采煤机的正常工作乃至整个工作面的正常生产，大多采用行走轮与销排啮合实现行走，采煤机行走轮既是一个关键零件又是个整机的薄弱环节，是最易发生故障的部件之一，其非正常断裂严重影响着采煤机机组的正常运行，因此，尽可能准确地设计出行走轮的结构尺寸是从根本上解决问题的关键。目前，大多数设计单位的设计分析都是采用在三维软件中建模后导入有限元分析软件（以ANSYS用的较多）进行分析，再在ANSYS中赋予材质、施加约束、加载载荷，非常耗时。本文力图运用有着良好开发界面优点的VB并结合具有强大分析功能的ANSYS开发出一种专用分析软件，实现在VB界面中输入行走轮结构参数和载荷参数，一键即可调用ANSYS进行分析，得出此种大模数齿轮在载荷作用下的应力、应变响应情况，为行走轮的设计提供技术参考，达到节省设计时间和人力，降低设计成本，提高设计水平的目的。

1　模型分析与建立

1.1几何模型分析

目前，采煤机无链牵引机构中，主动轮－齿轨式性能最佳，也最为常见。由于渐开线齿廓比摆线齿廓更容易保证计算准确性，国内外采煤机多采用与大节距销排啮合的渐开线齿廓行走轮。现以使用比较广泛的渐开线行走轮为例，从理论上分析，这种行走轮的啮合传动特征属于非共轭啮合，因而其传动比是非恒定的，在传动过程中两个齿交替啮合时传动比会发生突变。

1.2ANSYS建模

ANSYS是Analysis System的缩写，是一种广泛性的商业套装工程分析软件，由世界上著名的有限元分析软件公司ANSYS开发，能与大多数CAD软件结合使用，实现数据共享和交换。基本功能有：结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析等，高级功能有多物理场耦合分析、优化设计、拓扑优化等。

对于简单的模型，可以在ANSYS里直接建模，对于特别复杂的模型，建立过程复杂且工作量大，对于专于行走轮结构设计的人员一般存在一定的难度。经过分析和试验摸索出了一套建模的方法，运用该方法不仅能避免使用第三方三维造型软件带来的建模操作的麻烦，也容易实现在ANSYS软件中建模的参数化，同时节约了分析时间，更能使使用者在无需会使用造型软件和ANSYS软件的情况下对模型进行分析，有利于有限元分析软件的广泛应用与普及。

1.2.1在ANSYS中建立渐开线的方法

行走轮的结构虽然较为复杂，但实体建模一般可按照自下而上建模原则并结合布尔运算完成，最难的建模工作在于渐开线齿廓的创建，现将该部分命令流给出如下：

csys，4！激活工作坐标系

wprot，－angle3，0，0！初始偏转角度

K，1，0，0！绘制原点（编号为1）

*do，t，0，1，0.01！循环描点操作

*SET，x，rb*（cos（t）＋t*sin（t））！计算渐开线离散点x坐标

*SET，y，rb*（sin（t）－t*cos（t））！计算渐开线离散点y坐标

k，，x，y，0！开始描点

*enddo

flst，3，101，3！连点成线开始

*do，t，2，102

fitem，3，t

*enddo

bsplin，，p51x！实施多意线连点成线

1.2.2力学模型建立

行走轮的弯曲应力和接触应力是典型的非线性问题，传统的计算设计方法是将非线性问题进行一定的简化和假设，近似成线性问题处理，以采煤机行走轮的齿根弯曲应力为例，传统的计算方法计算得到的应力一般偏大，按此设计的行走轮承载能力存在浪费，而擅长求解非线性问题的ANSYS软件则可以较好地解决这个问题。力学模型的建立关系到分析的准确程度和成败，一般对行走轮的齿根弯曲强度和接触强度分析可总结为两条路径：一种是直接给行走轮顶加最大载荷，分析齿根弯曲强度，在这种方法中，由于齿顶齿面的压力角的影响，要把牵引阻力转换后再以正压力的方式施加，期间涉及人工计算较为繁琐和耗时；另一种先定义一个接触对，采用瞬态动力学分析行走轮啮合过程中的响应变化，虽然避免了上述计算，但后者由于载荷步数多，使计算机计算的时间变长，而且行走轮在实际工作中转速不高，啮入啮出较为缓慢，采取最大载荷时状态进行静力学分析已经能够非常逼近实际工作情况。对比两者的优劣性后，将二者优点结合建立一种接触对模型，该模型模拟并反映行走轮实际工作中刚刚啮入时也是载荷冲击最大时的工作状态，同时从安全角度考虑，假设所有牵引阻力全部加载在一对齿上。

2　软件功能与程序流程图

2.1软件功能

由于VB拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，程序员可以轻松地使用VB提供的组件快速建立一个应用程序。基于软件本身的任务设计了以下功能（见图1）.

图1　软件功能示意图

2.2程序流程图

程序流程图见图2.

图2　程序流程图

2.3窗口界面设计

良好的界面能够准确而快速地传递给使用者各种提示信息，据软件所设置的功能并结合软件开发原理，该软件界面设计成了参数输入和结果输出与查看两个界面，见图3，图4.结构分析中，最关心的是应力、应变响应情况，ANSYS计算结果中的等值云图使构件对外载荷的响应一目了然，将这些信息以图片形式实行存储，然后在VB中通过创建一个包含image控件和控制按钮的结果输出窗口，通过编写相应的程序就可调用所需的云图并显示，从而实现非常便捷的查看行走轮的承载能力的目的。

3　VB与ANSYS交互运行设置与实现

3.1VB启动ANSYS过程

高级计算机语言VB拥有比较丰富的函数调用功能，不但允许用户对内部函数调用，还可以调用其他能在DOS和Windows下运行的应用程序，这里利用它的Shell函数调用ANSYS，进而实现启动ANSYS，方法是在VB程序块中写入以下命令即可完成调用。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，用于接受函数的返回值。2）c：＼Program Files＼Ansys Inc＼v100＼ANSYS＼bin＼intel＼ansys100.exe—ANSYS的安装路径，本文中所使用的版本为ANSYS10.0.3）d：＼Gear＼Gear _anly.txt—ANSYS启动后所接受到的命令流所在的*.txt文件名称和文件路径。

3.2VB界面参数向后台ANSYS传递过程

软件能否运行成功，实现ANSYS按照输入参数正确的建模、划分网格和计算等操作，在于VB界面中的参数能否正确传递给ANSYS软件。VB对二进制文件的打开、关闭和读写操作非常方便，查相关教材就可得到使用方法。这里采用以下方法将在VB界面的行走轮几何参数、载荷参数以及材质属性等数据首先写入一个*.txt文件中，文件中每一个参数都要赋予一个专用的英文字母代号，同时注意每一条命令流后面应追加一个回车符表示一条命令的结束，如此形成APDL命令流文件，方便在ANSYS中进行参数化建模和计算时用调用。

图3　输入界面图

图4　显示界面图

以上操作的主要程序指令：

Open＂d：＼Gear＼Gear_anly_head.txt＂For Output As＃1‘打开一个文件

Print＃1，＂／prep7＂

Print＃1，＂Z＝＂；Form2.Text1.Text；‘写入参数Z

Print＃1，＂D＝＂；Form2.Text2.Text；‘写入参数D

……

Close＃1‘文件写结束，关闭文件

其中，Gear_anly_head.txt是将要写入以上内容的文件的名称。

然后再在此文件内容后追加通用操作命令流，其内容包括几何建模、划分网格、定义材质、施加载荷，施加约束、计算和后处理操作。

追加内容的程序指令与说明：

Open＂d：＼Gear＼Gear_anly_head.txt＂For Input As＃2‘打开一个Gear_anly_head.txt文件

Open＂d：＼Gear＼Gear_anly_base.txt＂For Append As＃1‘打开另一个Gear_anly_base.txt文件

Do While Not EOF（1）‘判断是否是文件最后一行

Line Input＃1，TextLine‘读1＃文件到内存

Print＃2，TextLine‘写入2＃文件

Loop

Close＃1‘文件写结束，关闭1＃文件

Close＃2‘文件写结束，关闭2＃文件

其中，Gear_anly_base.txt文件中的内容包括建模、划分网格、施加约束等命令，需要事先写入并按照上述路径保存在某计算机硬盘。

3.3输出结果

以下是生成等值应变云图的主要指令：

／REPLOT

jpgprf，700，300，1！定义图片格式（背景、大小）

／show，jpeg！生成图片

plnsol，u，sum，0，1，0！设置为应变输出

4　实例分析

某电牵引采煤机行走轮主体材质是17Cr2Ni2Mo，有关参数见表1.

4.1理论计算

行走轮应力计算可以按照齿轮计算，其中弯曲应

力计算公式为：

式中：σF—弯曲应力，Pa；

Ft—圆周力，N；

YFa—齿形系数；

Ysa—应力修正系数；

Yε—重合度系数；

Yβ—螺旋角系数；

KA—使用系数；

KV—动载荷系数；

KFβ—齿向载荷分布系数；

KFα—齿间载荷分布系数；

b—齿宽，mm；

m—法向模数.

计算系数选取表见表2.

表2　计算系数选取表

根据以上可计算齿根弯曲应力：σF＝248.3 MPa.

4.2软件计算与比较

经过软件分析，最终的应力情况见图5.经比较可发现软件计算分析得出的应力云图最大值约为239 MPa，与理论分析结果基本相符，又用ANSYS直接进行分析，得出的结果与软件分析结果基本相同。

表1　计算参数表

图5　最终应力情况云图

该软件将VB丰富的函数调用指令以及面向对象的开发环境优势与ANSYS的基于APDL命令流方便的进行参数化建模和计算的优点结合，能够实现在无需人工进行三维建模软件操作和ANSYS操作的情况下即可完成行走轮的分析，提高了设计效率和设计水平，使设计人员避免了重复性劳动，有利于设计者节省时间和精力来进行行走轮的结构优化工作，为设计出具有更高可靠性和更好经济效益的行走轮提供了新的工具。

5　结 语

分析了电牵引采煤机渐开线行走轮在ANSYS分析中存在的问题，给出运用APDL语言命令直接建模的方法，探索了VB与ANSYS联合运行与数据传递的方法，设计了VB界面、拟定程序流程图，编制了整套程序，并对最终软件进行了调试、验证。结果表明，开发出的专业软件可减少设计人员的重复性劳动，提高行走轮设计效率和设计水平，具有一定的工程实用价值。

参 考 文 献

［1］ 刘伟忠.关于采煤机行走轮的分析［J］.煤炭技术，2008（8）：64－65.

［2］ 宋学平.采煤机行走轮齿廓研究［J］.煤矿机电，2008（2）：44－45.

［3］ 冯建军.浅析采煤机行走轮轮齿断齿现象［J］.煤矿机电，2008（1）：35－36.

中图分类号：TD63＋2.1

文献标识码：B

文章编号：1672－0652（2015）02－0053－04

收稿日期：2014－12－22

作者简介：康 健（1963—），男，山西太原人，1985年毕业于太原科技大学，工程师，主要从事煤矿机械设计销售工作（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