李雄軍

（陽城縣陽泰集團(tuán)西溝煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048100）

引言

采煤機(jī)的搖臂作為采煤機(jī)整體機(jī)構(gòu)最重要的組成部分，在采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)中主要用于安裝采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置并對(duì)采煤機(jī)的滾筒進(jìn)行溫度支撐，隨著工作面高度的變化調(diào)節(jié)采煤機(jī)滾筒的高度，確保采煤的正常進(jìn)行，因此搖臂能否穩(wěn)定工作決定著采煤機(jī)整體的工作狀態(tài)。為確保采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，目前在進(jìn)行搖臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用的是提高結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，雖然這極大地提高了采煤機(jī)整體的質(zhì)量，但是嚴(yán)重影響了采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，因此迫切需要采用新的設(shè)計(jì)理念，對(duì)采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有目的性地對(duì)采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)薄弱的部位進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)。

1 采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)三維模型的建立及受力分析

以J71A采煤機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)實(shí)際模型，利用CREO三維建模軟件，建立三維結(jié)構(gòu)的仿真模型，如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)搖臂機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)視圖

為了確保對(duì)采煤機(jī)搖臂工作時(shí)受力狀態(tài)仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們需要建立采煤機(jī)搖臂在工作時(shí)作用在搖臂上各種載荷的情況。由于采煤機(jī)在實(shí)際工作時(shí)所承受各種載荷的分布是十分復(fù)雜且無固定規(guī)律的，因此我們采用簡化的方法，將作用在采煤機(jī)搖臂上的力分解為作用在坐標(biāo)軸上的三向力及各負(fù)載對(duì)三坐標(biāo)軸的力矩[2]。

在僅考慮采煤機(jī)滾筒重力G1、作用于搖臂上采煤機(jī)的切割力矩M、采煤機(jī)搖臂的重力G2、截齒切割煤層時(shí)的切割阻力PZ、采煤機(jī)滾筒的軸向力PA、采煤機(jī)工作時(shí)的推進(jìn)阻力Py的情況下（如圖2所示），根據(jù)搖臂工作時(shí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)比、電機(jī)復(fù)雜轉(zhuǎn)矩和供電電壓、電流成正比的關(guān)系，即可得到采煤機(jī)在執(zhí)行采煤時(shí)作用于搖臂上采煤機(jī)的切割力矩M。

圖2 采煤機(jī)搖臂受力分析

式中：M0為傳動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；n為傳動(dòng)電機(jī)的額定工作轉(zhuǎn)速，r/min；I為供電電流的強(qiáng)度，A；U為截割執(zhí)行電機(jī)的輸入電壓，V；cosφ為執(zhí)行電機(jī)的功率因數(shù)，取 cosφ=0.8。

截齒切割煤層時(shí)的切割阻力Pz主要集中于滾筒中心的截齒的齒尖上，并且垂直于采煤機(jī)的牽引速度的方向，可表示為：

式中：NH為執(zhí)行電機(jī)的額定功率，kW；σ為截割機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，r/min；DC為螺旋滾筒的直徑，mm；K為修正系數(shù)，取0.8；n為螺旋滾筒的工作轉(zhuǎn)速，r/min。

采煤機(jī)工作時(shí)的推進(jìn)阻力Py也主要是集中于滾筒中央截齒的齒尖位置，且與采煤機(jī)的牽引的速度的方向相反，可表示為[3]：

式中：T為采煤機(jī)的最大牽引力，N；K1為采煤機(jī)截割阻力比，取0.5；同理采煤機(jī)滾筒的軸向力PA可表示為：

式中：LK為截齒的最大寬度，m；J為滾筒的有效切割深度，m；K2為滾筒的截割系數(shù)，取K2=2。

2 采煤機(jī)搖臂模型的三維仿真分析

將建立好的三維模型導(dǎo)入到Adams中并進(jìn)行網(wǎng)格劃分[4]，導(dǎo)入后的三維模型如圖3所示。

圖3 采煤機(jī)搖臂柔性體模型

該采煤機(jī)在工作時(shí)搖臂的傾角范圍為-20°～55°，當(dāng)采煤機(jī)的搖臂在最大傾角工況下工作時(shí)，搖臂工作的位移值最大，切割煤層時(shí)作用在搖臂上的各類動(dòng)載荷也越多，因此我們在進(jìn)行仿真分析時(shí)，只針對(duì)采煤機(jī)搖臂在最危險(xiǎn)工況下的受力情況進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

由仿真分析結(jié)果可知，搖臂在工作時(shí)的最大的位移出現(xiàn)在搖臂的行星結(jié)構(gòu)的端部，最大位移達(dá)到了5.51 mm，但此時(shí)作用于搖臂上的等效應(yīng)力的最大值達(dá)到了219.29 MPa，且最大應(yīng)力發(fā)生在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的箱體和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪箱之間連接的肋板上，已經(jīng)遠(yuǎn)超了材料的許用應(yīng)力，因此該處最易出現(xiàn)疲勞損傷，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

圖4 搖臂的等效位移（mm）云圖

圖5 搖臂的等效應(yīng)力（MPa）云圖

3 采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)是指對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，找出一組最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)變量，在滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的前提下盡量降低產(chǎn)品的成本。因此利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念對(duì)采煤機(jī)搖臂進(jìn)行優(yōu)化，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，為確保整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，采取了降低搖臂結(jié)構(gòu)整體壁厚，同時(shí)重點(diǎn)對(duì)搖臂連接肋板處進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的措施，優(yōu)化后的仿真如圖6—圖7所示。

圖6 優(yōu)化前后搖臂的位移（mm）云圖

圖7 優(yōu)化前后搖臂的應(yīng)力（MPa）云圖

由圖6可知，優(yōu)化后搖臂的最大位移從最初的5.51 mm增加到了目前的5.57 mm，僅增加了1.1%，且均在許用安全范圍內(nèi)。

由圖7可知，在經(jīng)過優(yōu)化后，搖臂的應(yīng)力分布范圍與優(yōu)化前基本一致，最大應(yīng)力依舊是發(fā)生在連接肋板的位置，但可以明顯的看出，其最大應(yīng)力由最初的219.29 MPa降低到了目前的153.2 MPa，降低了約30.1%，優(yōu)化效果極為顯著。

下頁表1為經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，搖臂各參數(shù)量的對(duì)比，由表1對(duì)比可以看出，優(yōu)化前搖臂的整體質(zhì)量為6516.1 kg，經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后其整體重量降低到了6319.8 kg，降低了約3.1%，不僅極大降低了采煤機(jī)整體的重量、加強(qiáng)了搖臂應(yīng)力集中處的結(jié)構(gòu)而且降低了采煤機(jī)整體的制造成本，優(yōu)化效果十分顯著。

表1 優(yōu)化前后搖臂的參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

搖臂作為采煤機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)的核心結(jié)構(gòu)，其工作時(shí)的可靠性和穩(wěn)定性直接決定著采煤機(jī)整體的工作性能。因此為了確保采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)的可靠性，利用Ansys仿真分析軟件對(duì)采煤機(jī)搖臂的三維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了仿真分析及優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后采煤機(jī)搖臂整體的重量降低了約3.1%，優(yōu)化效果十分的顯著。

[1]劉楷安.采煤機(jī)截割部虛擬樣機(jī)及其動(dòng)態(tài)特性仿真研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2005.

[2]劉楷安，李秋菊，姜學(xué)壽.基于剛?cè)狁詈系牟擅簷C(jī)搖臂動(dòng)態(tài)特性仿真研究[J].煤礦機(jī)械，2010，31（11）：47-49.

[3]劉送永.采煤機(jī)滾筒截割性能及截割系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2009.

[4]李輝，王義亮，楊兆建.采煤機(jī)搖臂減速箱齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真[J].煤礦機(jī)械，2011，32（8）：40-42.