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机械自动化论文2018年精选范文一：重型刮板输送机中部槽结构分析
第一章 绪 论
1.1 重型刮板输送机国内发展情况
中国是一个能源大国，煤炭在我们国家的民族的生产，生活和经济发展中扮演着十分重要的角色。同时也有着十分重要的战略地位。煤矿机械的可靠性研究以及技术仿真必将成为推动我国煤炭工业技术现代化快速发展的重要手段。作为井下生产运输关键的矿山机械设备之一，重型刮板输送机不但是采煤机在工作状态运行时的轨道，同时其本身就是井下煤炭采掘运输的重要输送设备。所以，刮板输送机的高效、可靠运行，是做为煤矿井下安全、高产高效生产的重要保障。中部槽是刮板输送的重要组成部件，中部槽作为刮板输送机的机身主体，中部槽的整体质量占到了刮板输送机总质量的 75%以上。中部槽同时也是所输送物料的承载部件。因为在其运行过程中刮板输送机的中部槽承受了来自物料、刮板以及链条的严重摩擦，所以中部槽是刮板输送机中使用和消耗所占比例最大的部件。由此可以看出，刮板输送机的使用寿命主要是由中部槽来决定，对于中部槽的可靠性研究为刮板输送机的可靠性的研究提供了很多重要的数据以及经验。如图1.1所示为煤矿井下三机配套系统。
1.2重型刮板输送机的定义
1.2.1 重型刮板输送机概述
刮板输送机是煤矿生产单位在井下煤炭开采、运输的重要矿山设备。它主要是以刮板链条为输送牵引构件和中部槽为支承机构的矿山连续运输机械。其主要是由机头；机尾；刮板链条；过渡槽；中部槽以及挡板等部件组成。
机头是由驱动装置、头架、链轮总成和底座等部件组成的。具有驱动、卸载、连接机头处锚固推移装置（如机头处液压直接）、固定采煤机牵引导轨等功能。重型刮板输送机被广泛应用于规模化矿山生产企业，同时是井下综合机械化采煤工作面的重要设备。
重型刮板输送机通常是指其链条最大工作载荷为 850~1130KN，主要采用链条为矿用高强度圆环链，其直径为 Φ26~Φ30mm，装机功率为 400~630KW，输送能力为700~1200t/h，料槽为整体铸焊封底式或整体轧焊封底式、或轧制 Σ 型铠装式封底料槽，该槽帮高产高效的综合机械化采煤工作面得到广泛的应用。在我国矿山机械装备制造业起步较晚。在初期，我们所生产的设备大多是从国外采购回来后，对其进行模仿制造。最初的刮板输送机在材料和结构优化上的设计基本上是少之又少。
1.2.2 刮板输送机发展历史
全球第一台刮板输送机是由英国成功研制，至今已经有了80多年的历史。虽然第一台刮板输送机的面世提高了当时的生产效率，但是其也有着许许多多的缺点比如功率较小，链条强度不够，断链现象时常发生。随着时间的跨越，采煤机以及刨煤机的出现，矿井的生产逐步开启了机械化的时代。刮板输送机经过不断的研究、试验以及改进，逐步成为井下工作面生产、运输不可替代的机械输送设备。多电机驱动、中双链、边双链牵引，并且能够随着采煤机的工作状态及时进行推移。目前，随着德国、美国等一些发达国家在高产高效矿井，纷纷推出大功率工作面刮板输送机，即产量和工作效率有大幅提高的刮板输送机，该阶段的输送机具有功率大、运量高、输送距离远、可靠性高、寿命长等特点。其功率和运量比50年代所研发的产品增大2～3倍，并且国外的一些生产厂家除了关注刮板输送机关键零部件的强度和寿命的研究，还特别对于刮板输送机变频启动、软启动、可伸缩机尾链条的自动张紧装置以及输送机过载保护等方面的研究。
第二章 结构优化相关理论
2.1 有限单元法介绍
2.1.1 有限单元法发展过程
有线单元法是当今的科学技术开发已经有大量的工程数值方法在工程领域中得到应用[5]。由于其固有的较高的识别通用和高优先级的现场效果，该项技术研究方法得到了工程设计、结构设计领域中的广泛应用。随着计算机科学和技术的飞速发展，在计算机辅助设计（CAD）以及计算机辅助制造（CAM）领域中经常会看到有限单元法的身影，该方法已经成为机械设计领域的重要组成部分。有限元方法的基本思想是，对需要求解的一个连续区域所提供的方案是将其离散为有限单元体，并根据一些，相互连接在一起的组合单元的单元类型。将所有区域内，将要求解的未知场函数，将其假设为每一个单元中，所假设的离散近似函数来分片地来表示。从而使一个连续的无限自由度问题转变为离散的有限自由度问题。通过不断地更改所要分析的单元类型、大小以及数目，持续不断的改进近似解，并最终将逐步靠近所精确解的结果。在按照所采取的有限单元法中基本未知量的有限元方法可以分为位移控制法；载荷控制法两种基本方法。位移控制法的特征在于：选择节点位移做为基本未知量，而载荷控制法的特征是：选取节点载荷力为基本未知量。在实际有限单元法的应用中，位移控制法更容易解决，并得到广泛应用。目前，通用的有限元软件在全球有：ABAQUS、ADINA、ANSYS、MARC、NASTRAN、SAP 等。其中 ANSYS 是一款超过 30 多年发展的有限元分析方法软件，随着计算机软硬件的迅速发展，该软件的版本升级十分迅速，紧跟计算及发展的最新速度。由于其的广泛应用被众多在计算机辅助工程(CAE)，数值分析和仿真工程等领域的大量工作人员所选择。
目前ABAQUS软件的应用被逐步推广开来，其本身是一套有限元方法功能十分强大的工程模拟软件。其强大的分析功能可以轻而易举地解决从相对简单的线性分析来模拟各种具有挑战性的非线性等问题。ABAQUS自身具有各种类型的单元库，可以轻易的模拟任意物理形状。同时，ABAQUS 同样具有相当丰富的材料模型库，可以模拟在实体建模的许多典型工程材料的性能用于结构分析，包括金属、橡胶、聚合物、复合材料、钢筋混凝土、可压缩的弹性泡沫以及地质材料（例如土壤和岩石）等各种材料。作为一种通用的模拟工具不仅可以应用在ABAQUS在（应力/位移）结构分析的问题上都可以得到较为满意的结果，但也能够模拟和研究热传导，质量扩散，电子元件的热控制（热-电耦合分析）和压电分析等特殊行业在广阔领域中的十分复杂问题。
2.2 结构疲劳
2.2.1 金属材料和结构疲劳问题发展史
当前研究中，材料和结构疲劳问题的研究逐步被许多从事设计的工作人员所重视起来。1837：科学家 Albert 第一次成功的公开发表了其所研究结构疲劳试验结果；1858：Wohler 测试了火车轮轴的使用载荷，并建议采用无限寿命设计；1860：Wohler 开始公开发表火车轮轴的疲劳试验结果；从这些结果中，他得出了应力幅值对疲劳寿命影响最大的结论；他还探讨了平均应力的影响以及有限疲劳寿命和无限疲劳寿命间的差别。Wohler 还建议疲劳设计时的安全系数应比静强度设计时的要大；他同时注意到了疲劳裂纹扩展的问题，发现铸钢的疲劳裂纹扩展率较大；Spangenberg首先给出了S-N曲线(也即Wohler曲线，而Wohler采用的是表格形式)，但直到1920才由Basquin用公式表述了有限寿命的S-N曲线；1886：Bauschinger 提出了“Bauschinger效应”1889：Kirsch首先计算了应力集中系数；1920 –1945：以Schütz 为代表的德国人在此领域有很大贡献，开创或研究了如下几个方面：测量了载荷谱、疲劳载荷和疲劳应力认识到高静强度材料并不一定具有较高的疲劳强度利用残余压应力来改善疲劳强度累积损伤假设(Palmgren 1924, Serensen 1938，Miner 1945)应变夹疲劳试验的统计值裂纹扩展试验断裂力学(Griffith 1920)；1920–1945：这一时期同时还有如下进展：腐蚀疲劳开始提及；将疲劳分成裂纹形成期和裂纹扩展期；疲劳缺口系数小于应力集中系数，也即t fK K ；1954：两架彗星号飞机失事，从而导致了大规模的研究和试验计划，包括全尺寸疲劳试验，同时提出了Manson-Coffin公式；1955：提出了安全寿命设计准则；50年代：对Miner 理论的可靠性提出了疑问，因为临界损伤的试验值在0.1～10之间；1958：Irwin基Griffith思想建立了 LEFM1962：基于 LEFM，Paris 提出了 Paris 公式 1968：德国人 Elber 发现了裂纹闭合效应1974：美国空军提出了损伤容限设计准则。
2.2.2 金属疲劳的含义和分类
据国外统计：现代各个工业领域中，80%以上的结构破坏是由于疲劳造成，1967 年12 月 15 日，美国西弗吉利亚州的 Point Pleasant 大桥在没有任何征兆的情况下突然倒塌，造成 46 人死亡，调查结果显示是由于一拉杆下缘产生解理断裂，1990 年荷兰建成的Bascule 桥尽在运营 7 年之后就观测到危机桥梁安全的严重的疲劳开裂，1998 年更换所有的正交异形板。
上述例子提出了结构疲劳在我们生活中的重要性，同样在大量的工业生产中，结构疲劳时刻影响着企业的生产效率。结构疲劳的定义大多数机构以及权威部门都将其定义在了金属疲劳方面。1964年由国际标准化组织(ISO)发布的报告《金属疲劳试验的一般原理》中给出了金属疲劳的定义：金属疲劳指的是金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化。而在一般情况
