基于ANSYS軟件的采煤機(jī)搖臂受力仿真分析

解 喃

（山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

采煤機(jī)作為我國(guó)煤炭開(kāi)采的重要設(shè)備，在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行作業(yè)時(shí)，常常出現(xiàn)采煤機(jī)搖臂斷裂、滾筒截齒折斷及中部槽疲勞斷裂等事故，這無(wú)疑會(huì)影響采煤機(jī)的工作性能，為了解決采煤機(jī)易發(fā)生故障的問(wèn)題，此前眾多學(xué)者對(duì)采煤機(jī)部件優(yōu)化進(jìn)行過(guò)一定的研究[1-2]，陳文偉[3]以MG900/2400采煤機(jī)為背景，利用ANSYS數(shù)值模擬軟件對(duì)搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪及搖臂殼體受力進(jìn)行仿真分析，為采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考。楊旭瞳[4]利用模擬軟件對(duì)采煤機(jī)搖臂進(jìn)行力學(xué)分析，通過(guò)ANSYS軟件給出了采煤機(jī)搖臂的優(yōu)化方案，為采煤機(jī)搖臂傳動(dòng)穩(wěn)定性的提升打下基礎(chǔ)。因此，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)采煤機(jī)搖臂的受力及穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 搖臂殼體應(yīng)力分析

采煤機(jī)搖臂主要作用是將電動(dòng)機(jī)的力傳遞到滾筒，完成滾筒截割煤壁的任務(wù)，一般來(lái)說(shuō)采煤機(jī)的功率消耗約8成以上是截割部作功，所以提升搖臂性能可有效提升采煤機(jī)工作效率。采煤機(jī)的搖臂主要組成部件有截割電機(jī)、搖臂殼體及搖臂齒輪減速箱等，本文選定采煤機(jī)型號(hào)為MG500/1130-AWD，采煤機(jī)搖臂通過(guò)鉸軸和牽引部連接，同時(shí)通過(guò)油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)搖臂的升降。

目前對(duì)采煤機(jī)設(shè)計(jì)常見(jiàn)的分析軟件為ANSYS模擬軟件，軟件具有強(qiáng)大的后處理能力，其可以較好的與CAD軟件進(jìn)行銜接，可有效降低模型建立的周期。同時(shí)ANSYS數(shù)值模擬軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力、耦合場(chǎng)求解及兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此本文的模擬研究軟件選擇ANSYS軟件。

在進(jìn)行模擬計(jì)算前需要對(duì)三維模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，對(duì)結(jié)構(gòu)中的圓角、倒角及小孔進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)忽略焊接縫對(duì)模擬精度的影響。首先對(duì)搖臂的殼體進(jìn)行模型建立，采煤機(jī)搖臂殼體是最容易出現(xiàn)損壞的部件，在進(jìn)行殼體建立時(shí)需要在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)降低其重量，以此來(lái)達(dá)到降本增效的目的。本文在solidworks軟件中先建好殼體模型，后導(dǎo)入至ANSYS模擬軟件中，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)充分考慮計(jì)算精度及計(jì)算效率，選定自由網(wǎng)格劃分的方式，網(wǎng)格類(lèi)型分為兩種，分別為SOLID45和SOLID92，對(duì)模型的物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，材料的密度為7.91 kg/m3、泊松比為0.27、材料的彈性模量為2.2×1011Pa，同時(shí)對(duì)模型的約束進(jìn)行設(shè)置，限制模型耳座孔處的X、Y、Z向移動(dòng)及軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。首先對(duì)不同工況下的搖臂殼體應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析。應(yīng)力云圖如下頁(yè)圖1所示。

從下頁(yè)圖1可以看出，當(dāng)搖臂擺角0°，煤層傾角30°時(shí)，此時(shí)搖臂殼體應(yīng)力最大值出現(xiàn)在搖臂耳座孔處附近，此時(shí)的應(yīng)力最大值為96 MPa，同時(shí)在殼體的頭部位置受到的應(yīng)力值也明顯較大。當(dāng)搖臂擺角42°，煤層傾角30°時(shí)，應(yīng)力最大值仍出現(xiàn)在二軸、三軸的安裝孔附近，此時(shí)的應(yīng)力最大值為122 MPa。當(dāng)搖臂擺角0°，煤層傾角30°斜進(jìn)刀時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置僅持續(xù)愛(ài)你在二軸安裝孔處，此時(shí)的應(yīng)力最大值為123 MPa。當(dāng)搖臂擺角18°，煤層傾角0°時(shí)，在此工況下應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置與以上工況幾乎無(wú)差，同時(shí)在此工況下的搖臂殼體最大應(yīng)力值最小。通過(guò)以上分析可以得出四種工況下?lián)u臂的應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力值，所以在進(jìn)行殼體的設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)降低結(jié)構(gòu)的尺寸，以達(dá)到節(jié)省材料，提升效率的目的。

2 搖臂二軸應(yīng)力分析

對(duì)采煤機(jī)搖臂二軸進(jìn)行應(yīng)力模擬分析，同樣采用相似的方式進(jìn)行模型導(dǎo)入，模型的網(wǎng)格劃分選定為SOLID45單元，對(duì)模型的物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，材料的密度為7.91 kg/m3、泊松比為0.27、材料的彈性模量為2.2×1011Pa，同樣限制二軸在XYZ平面上的移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖1 不同工況下?lián)u臂殼體應(yīng)力（Pa）云圖

從圖2二軸應(yīng)力分布云圖可以看出，二軸的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在軸齒齒根的位置，分別對(duì)二軸軸齒輪和齒輪進(jìn)行應(yīng)力加載后得到的最大應(yīng)力值分別為56.4 MPa和139 MPa，可以看出結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)于二軸的應(yīng)力分布及應(yīng)力值有著較大的影響，所以在對(duì)二軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮結(jié)構(gòu)的剛度，避免出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題。

圖2 二軸應(yīng)力（Pa）分布云圖

通過(guò)對(duì)搖臂殼體及二軸的模擬分析，發(fā)現(xiàn)搖臂殼體的應(yīng)力最大值小于材料的許用強(qiáng)度，所以可以適當(dāng)降低搖臂的尺寸，而二軸由于受到周期性的應(yīng)力作用，易出現(xiàn)疲勞損傷，所以要適當(dāng)增大材料的強(qiáng)度，提升材料的剛度。

采煤機(jī)在工作過(guò)程中，在巨大載荷作用下極易發(fā)生共振及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等現(xiàn)象，所以在進(jìn)行搖臂設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要考慮強(qiáng)度及剛度同時(shí)也要考慮振動(dòng)，對(duì)搖臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬，建模過(guò)程和應(yīng)力分析類(lèi)似，通過(guò)對(duì)模態(tài)階數(shù)進(jìn)行設(shè)定，進(jìn)行求解，本文只展示3、7階模態(tài)下的應(yīng)力圖如下頁(yè)圖3所示。

由模擬結(jié)果可知：結(jié)構(gòu)在1、2階模態(tài)下的固有頻率為0，此時(shí)結(jié)構(gòu)不發(fā)生扭轉(zhuǎn)及彎曲，當(dāng)結(jié)構(gòu)在3-6階模態(tài)下時(shí)，此時(shí)的固有頻率值較1，2階模態(tài)固有頻率有了一定的增大，但增大的幅度較小，此時(shí)的結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)大致呈現(xiàn)為平動(dòng)及剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，并沒(méi)有彎曲及扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入7階模態(tài)時(shí)，此時(shí)的固有頻率增大至185 Hz，此時(shí)的固有頻率遠(yuǎn)大于搖臂的工作頻率，采煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)楣舱穸a(chǎn)生的損壞情況。

圖3 不同模態(tài)下等效應(yīng)力（Pa）云圖

同樣對(duì)二軸進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在1-6階模態(tài)下的固有頻率均較小，幾乎可以忽略不計(jì)，結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)同樣只呈現(xiàn)為平動(dòng)及剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)彎曲及扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入7階模態(tài)時(shí)，固有頻率遠(yuǎn)大于搖臂的工作頻率，但由于振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，所以采煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)楣舱穸a(chǎn)生的損壞情況。

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬分析可以得出四種工況下?lián)u臂的應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力值，所以在進(jìn)行殼體的設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)降低結(jié)構(gòu)的尺寸，以達(dá)到節(jié)省材料的目的。

2）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)齒軸及齒輪分別進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力值差別較大，所以在提升強(qiáng)度的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提升剛度。

3）通過(guò)對(duì)不同階模態(tài)下?lián)u臂殼體及二軸進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，采煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)楣舱穸a(chǎn)生的損壞情況。