張晉東
(山西焦煤西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司東曲煤礦,山西 太原 030200)
采煤機(jī)是進(jìn)行煤礦綜采的重要設(shè)備,我國(guó)有大量的煤礦采用采煤機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè),采煤機(jī)工作的穩(wěn)定性對(duì)我國(guó)煤炭開(kāi)采的效率和產(chǎn)量均具有重要的影響。由于采煤機(jī)在井下作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性,對(duì)于采煤機(jī)的設(shè)計(jì)使用往往采用較大的冗余度來(lái)保證采煤機(jī)的可靠性,這種方式容易造成采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)過(guò)于笨重,造成了采煤機(jī)生產(chǎn)成本的增加及資源的浪費(fèi)[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,采用CAE技術(shù)進(jìn)行采煤機(jī)等各類(lèi)采煤機(jī)械的設(shè)計(jì)成為主流。采用CAE技術(shù)對(duì)采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,可以提高采煤機(jī)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性,同時(shí),針對(duì)采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特定的分析,可以?xún)?yōu)化采煤機(jī)的結(jié)構(gòu),避免資源的浪費(fèi),降低采煤機(jī)的制造成本。
采煤機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí),由搖臂和滾筒組成截割機(jī)構(gòu),截割機(jī)構(gòu)通過(guò)滾筒的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的切割,而搖臂依據(jù)煤層的不同對(duì)滾筒的位置進(jìn)行調(diào)節(jié),改變滾筒的姿態(tài),最大程度地提升截割的效率。采煤機(jī)搖臂對(duì)滾筒的調(diào)節(jié)通過(guò)安裝在搖臂殼體上的減速器及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn),搖臂殼體作為主要的承載部件,同時(shí)對(duì)減速器、傳動(dòng)系統(tǒng)及密封件等進(jìn)行支撐。搖臂殼體的性能對(duì)于搖臂的調(diào)節(jié)作用具有重要的影響[2],是采煤機(jī)的關(guān)鍵零部件,并且由于殼體的承載較大,是采煤機(jī)的易損零部件,因此,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,對(duì)于搖臂殼體常采用較大的安全系數(shù)來(lái)保證殼體的穩(wěn)定性。由于采煤機(jī)搖臂殼體的結(jié)構(gòu)對(duì)采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的截割效率及性能具有重要的影響,因此,對(duì)于搖臂殼體的受力進(jìn)行仿真分析[3],并對(duì)殼體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。
搖臂殼體采用主體和板件焊接而成,對(duì)殼體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析,由于搖臂殼體的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,在建模過(guò)程中,要對(duì)殼體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。由于焊縫處的強(qiáng)度和板件一致,在建模過(guò)程中,忽略焊縫的影響,并對(duì)于殼體的細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,采用SolidWorks進(jìn)行殼體三維模型的建立,得到搖臂殼體的模型如圖1所示。
圖1 搖臂殼體的三維模型
建立搖臂殼體的三維模型之后,將其導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析。首先對(duì)所導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),采用自由網(wǎng)格的形式進(jìn)行劃分并采用Smartsize對(duì)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行控制[4],對(duì)于殼體的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化,保證搖臂殼體的網(wǎng)格劃分完成,并對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行檢查。
由于采煤機(jī)在工作過(guò)程中要依據(jù)煤層的不同對(duì)截割滾筒的位置進(jìn)行調(diào)整,從而造成搖臂殼體的姿態(tài)是多變的。對(duì)搖臂殼體進(jìn)行靜力學(xué)分析,要依據(jù)不同的位置對(duì)其受力及變形進(jìn)行分析。依據(jù)采煤機(jī)進(jìn)行開(kāi)采時(shí)的煤層傾角及搖臂擺角的不同組合[5],劃分四種不同的工況對(duì)其進(jìn)行分析,各工況的參數(shù)見(jiàn)下頁(yè)表1。
首先對(duì)工況一的搖臂殼體進(jìn)行分析,殼體材料屬性設(shè)定為泊松比為0.27,采用多點(diǎn)加載的方式對(duì)殼體進(jìn)行加載,不同工況時(shí),設(shè)定加載的位置不同來(lái)保證殼體受力的準(zhǔn)確性。在工況一時(shí),通過(guò)有限元分析軟件ANSYS Workbench的運(yùn)算,得到工況一時(shí)搖臂殼體的變形及應(yīng)力分布分別如圖2、圖3所示。
表1 搖臂殼體工況
圖2 工況一搖臂殼體變形(m)分布
圖3 工況一搖臂殼體應(yīng)力(Pa)分布
從圖2中可以看出,在工況一下,搖臂殼體的整體變形量較小,最大變形量為1.8 mm,最大變形的位置在搖臂殼體的頭部位置。從圖3中可以看出,搖臂殼體在工況一下所承受的應(yīng)力整體較小,最大應(yīng)力值為96 MPa,最大應(yīng)力同樣出現(xiàn)在殼體的頭部位置[6],在安裝孔的位置處應(yīng)力也有所增加。從應(yīng)力及變形量來(lái)說(shuō),工況一的承載均較小,遠(yuǎn)低于搖臂殼體的設(shè)計(jì)值。采用同樣的方式對(duì)工況二、三、四中的搖臂殼體進(jìn)行仿真分析,將其最大變形量及最大應(yīng)力值分別記錄,并采用曲線(xiàn)的形式進(jìn)行描述,得到如圖4所示的不同工況下的變形及應(yīng)力值分布曲線(xiàn)。
圖4 不同工況變形及應(yīng)力值分布曲線(xiàn)
從圖4中可以看出,在不同工況下?lián)u臂殼體的變形量及應(yīng)力值均處于較小的水平,在工況四的變形及應(yīng)力值最小,工況三的變形量及應(yīng)力值最大,但也遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力。由此說(shuō)明,在搖臂殼體的設(shè)計(jì)中,由于采用了較大的安全系數(shù),使得搖臂殼體的工作穩(wěn)定性得到了保障,但是從靜力學(xué)分析可以看出,在不同工況下的搖臂殼體變形量及應(yīng)力值均較小,遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力。這種設(shè)計(jì)方式造成了材料的浪費(fèi),不能充分發(fā)揮搖臂殼體的性能,因此,隨著CAE技術(shù)的進(jìn)步,對(duì)于搖臂殼體要采取相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),在保證殼體的剛度及強(qiáng)度的同時(shí),應(yīng)減少搖臂殼體的材料使用,充分發(fā)揮搖臂殼體的性能,優(yōu)化采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)。
針對(duì)采煤機(jī)搖臂殼體零件,采用有限元分析的方式,對(duì)不同工況下的搖臂殼體的變形及應(yīng)力分布情況進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明在不同工況下的搖臂殼體變形量及應(yīng)力值均較小,遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力。搖臂殼體的使用存在著材料的浪費(fèi),不能充分發(fā)揮搖臂殼體的性能。隨著CAE技術(shù)的進(jìn)步,對(duì)于搖臂殼體要采取相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),在保證殼體的剛度及強(qiáng)度的同時(shí),可減少搖臂殼體的材料使用,充分發(fā)揮搖臂殼體的性能,優(yōu)化采煤機(jī)的結(jié)構(gòu),從而提高采煤機(jī)的性能。