王 斌

（山西省高平市科興米山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

引言

伴隨著大功率機(jī)械設(shè)備的時(shí)代到來(lái)，采煤機(jī)關(guān)鍵部件——搖臂的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關(guān)重要，在惡劣的礦井環(huán)境中，需要保證長(zhǎng)時(shí)間受到各類載荷作用的條件下而不被破壞。搖臂結(jié)構(gòu)通常受到循環(huán)載荷作用后，出現(xiàn)疲勞損壞的現(xiàn)象，在潤(rùn)滑油的浸濕下將擴(kuò)大點(diǎn)蝕范圍，最終產(chǎn)生破壞性的斷裂損傷[1]。通過(guò)仿真技術(shù)軟件，對(duì)采煤機(jī)的真實(shí)工況進(jìn)行模擬。根據(jù)搖臂在擺動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，找到結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的危險(xiǎn)位置。通過(guò)有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免了搖臂部件的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提升了搖臂的結(jié)構(gòu)安全性，延長(zhǎng)了使用壽命。

1 J81B型采煤機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 J81B型采煤機(jī)結(jié)構(gòu)部件

J81B型采煤機(jī)是礦井常用的采煤機(jī)設(shè)備，主要針對(duì)于薄煤層的煤炭開采作業(yè)。該型采煤機(jī)的購(gòu)買成本較低、可移動(dòng)性較強(qiáng)、整體結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單以及具有多種功能而被廣泛使用[2]。組成的關(guān)鍵部件主要分為三大部分，分別為電動(dòng)機(jī)、減速箱和搖臂殼體。電動(dòng)機(jī)類型為無(wú)級(jí)雙輪驅(qū)動(dòng)，并且可實(shí)現(xiàn)變頻功能；減速箱結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，包含齒輪、齒輪軸的輪系組合以及冷卻噴霧裝置[3]。本次研究的搖臂是通過(guò)鉸接結(jié)構(gòu)與主體機(jī)身進(jìn)行連接，材料為鑄造構(gòu)件。在擺臂的中部形成凹形或挖孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 J81B型采煤機(jī)整體結(jié)構(gòu)組成圖

1.2 J81B型采煤機(jī)技術(shù)參數(shù)

J81B型采煤機(jī)采用的是七軸組件結(jié)合兩級(jí)行星機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)體系，為了防止過(guò)載安全隱患，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部安裝的傳動(dòng)軸具有細(xì)長(zhǎng)柔性的特點(diǎn)。行星傳動(dòng)體系的體積和質(zhì)量較小，能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)載保護(hù)，抗沖擊性較強(qiáng)。該型號(hào)采煤機(jī)的搖臂長(zhǎng)度2 480 mm，形式為整體彎搖臂，單個(gè)搖臂質(zhì)量為9.8 t；截割電機(jī)功率為480 kW，供電接入煤礦電網(wǎng)，最大電壓為3 300 V；冷卻降塵方式的水壓為6 MPa，采用內(nèi)噴霧方式[4]。

2 采煤機(jī)搖臂仿真模型建立

2.1 三維模型建立

采煤機(jī)搖臂的三維模型由多個(gè)零部件裝配而成，內(nèi)部三維模型結(jié)構(gòu)主要包括直齒輪、行星架、內(nèi)齒輪等關(guān)鍵零部件。由于搖臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，內(nèi)部的齒輪體系將產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，在建立模型時(shí)，應(yīng)保證齒輪體系模型的精確性。在建立搖臂模型時(shí)，應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：一是忽略對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響不大的零碎部件，提高建模效率；二是通過(guò)Pro/E軟件建模時(shí)多用拉伸操作，防止旋轉(zhuǎn)建模產(chǎn)生的錯(cuò)誤。

首先建立起J81B型采煤機(jī)搖臂的整體模型，并將齒輪組裝配至搖臂模型中。由于搖臂模型為殼體結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意殼體建模的厚度以及轉(zhuǎn)角的弧度。整體模型如下頁(yè)圖2所示。

圖2 J81B型采煤機(jī)搖臂模型裝配圖

2.2 仿真模型建立

采用ANSYS仿真軟件，根據(jù)工程條件設(shè)置仿真參數(shù)。對(duì)搖臂三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格選SOLID185單元模型。該單元為6面體8節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格，計(jì)算精度較高；其中齒輪軸選用連桿模型，網(wǎng)格單元類型為BEAM188。網(wǎng)格長(zhǎng)寬比小于2.5倍的設(shè)置為梁?jiǎn)卧瑥椥阅Ａ渴菗u臂實(shí)體單元的120倍[5]。搖臂殼體材料彈性模量為2.5×105MPa，泊松比為0.29。材料屬性設(shè)置后，對(duì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，應(yīng)注意模型中的剛性、柔性連接處理。根據(jù)搖臂在擺動(dòng)過(guò)程中的力學(xué)參數(shù)施加外力載荷，搖臂的底部添加邊界位移約束。將每個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩施加至齒輪軸上，模擬帶動(dòng)齒輪開始旋轉(zhuǎn)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)整體搖臂的運(yùn)動(dòng)。ANSYS仿真參數(shù)模型導(dǎo)入至ADAMS軟件中，形成剛?cè)釘M合的搖臂仿真模型，如圖3所示，圖中紫色區(qū)域?yàn)槭┘拥牧刈饔谩?/p>

圖3 搖臂仿真模型示意圖

3 搖臂應(yīng)力區(qū)域分析

搖臂在惡劣復(fù)雜的礦井環(huán)境中，將不斷通過(guò)調(diào)節(jié)液壓油壓力的方式，使得搖臂處于不同擺臂角度的工況位置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程情況，分析4種常見的擺臂角度下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀態(tài)，分別為-20°、0°、20°、55°[6]。搖臂在4種角度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布均不相同。通過(guò)仿真計(jì)算得出，搖臂最大應(yīng)力數(shù)值將隨著角度的增大而增大，并且搖臂在向上運(yùn)動(dòng)切頂煤時(shí)的危險(xiǎn)性最高，當(dāng)達(dá)到55°時(shí)是最危險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 搖臂處于55°時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力（MPa）分布

當(dāng)搖臂處于-20°、0°工況時(shí)，整體結(jié)構(gòu)受力均勻，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)處于20°、55°工況時(shí)，搖臂在電動(dòng)機(jī)底部和齒輪軸中間肋板處出現(xiàn)了明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其在55°工況時(shí)的應(yīng)力集中更為明顯。采煤機(jī)搖臂的-20°、0°、20°、55°等4種工況的最大應(yīng)力數(shù)值分別為107.9 MPa、126.9 MPa、136.4 MPa、155.6 MPa。由圖4可知，針對(duì)采煤機(jī)搖臂在55°工況時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中情況進(jìn)行優(yōu)化，能夠極大地提升搖臂的安全性。

4 搖臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布優(yōu)化結(jié)果分析

由于搖臂是殼體結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析時(shí)，應(yīng)首先針對(duì)于殼體壁厚和內(nèi)部變速箱體厚度作為優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合圖4所示的應(yīng)力集中部位，將肋板高度作為設(shè)計(jì)參數(shù)。因此將殼體壁厚、箱體厚度、肋板高度等三個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。利用ANSYS仿真中的優(yōu)化模塊，設(shè)置上述三個(gè)參數(shù)為優(yōu)化變量并確定優(yōu)化目標(biāo)數(shù)值，設(shè)計(jì)目標(biāo)為減輕搖臂的整體質(zhì)量，防止應(yīng)力集中部位產(chǎn)生，有效降低了最大應(yīng)用數(shù)值。優(yōu)化變量數(shù)值對(duì)比如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化對(duì)比表

從表1中可以看出，優(yōu)化前后搖臂的質(zhì)量由6 517.1kg降低到6 379.8kg，降低了2.1%，這將為搖臂的制造降低成本?？傮w來(lái)說(shuō)，本次優(yōu)化效果比較明顯，既控制了搖臂等效應(yīng)力，在許用應(yīng)力范圍內(nèi)又降低了制造成本，整體性能有所提高。

從圖5中可以看出，優(yōu)化前后搖臂的應(yīng)力分布基本相同，應(yīng)力集中區(qū)域仍然集中在肋板處，不同的是優(yōu)化后肋板處的應(yīng)力集中分布更加均勻一些，最大等效應(yīng)力值從152.16 MPa降低到了130.77 MPa，降低了14.1%，效果比較明顯，且優(yōu)化后的應(yīng)力值在許用應(yīng)力允許的范圍內(nèi)。

圖5 優(yōu)化后搖臂處于55°時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布