馬茂林

（華陽平舒煤礦有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

引言

采煤機(jī)是煤礦開采中重要的機(jī)械裝備，隨著煤礦領(lǐng)域進(jìn)步對(duì)采煤效率要求的不斷提升，采煤機(jī)正朝著大型化、重型化方向發(fā)展[1-3]。搖臂結(jié)構(gòu)是采煤機(jī)中的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)之一，其性能的好壞對(duì)采煤機(jī)的整體性能有非常重要的影響[4-5]。但在實(shí)踐過程中，搖臂部位的受力相對(duì)較為復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷失效[6]。本文主要以J71A型采煤機(jī)為例，對(duì)其工作時(shí)搖臂結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行了分析，并基于力學(xué)分析結(jié)果對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)概述

以J71A型采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)為對(duì)象進(jìn)行研究，該型號(hào)采煤機(jī)整體功率為480 kW，需要通過3.3 kV的電壓進(jìn)行供電。其中，搖臂結(jié)構(gòu)是采煤機(jī)中的重要構(gòu)成部分，其整體質(zhì)量將近10 t，長度為2.38 m，屬于整體彎搖臂，圖1 為采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)主要構(gòu)成。從圖中可以看出，搖臂結(jié)構(gòu)主要由銷軸組件、冷卻管組、搖臂殼體、截割電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)等部分構(gòu)成。搖臂結(jié)構(gòu)通過銷軸組件實(shí)現(xiàn)與采煤機(jī)整體的連接，工作時(shí)繞銷軸部位進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，通過油缸的伸縮，還可以實(shí)現(xiàn)搖臂結(jié)構(gòu)整體的上下移動(dòng)。搖臂結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以帶動(dòng)截割頭部位移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同位置的截割。截割電動(dòng)機(jī)的作用是為滾筒提供動(dòng)力，從電動(dòng)機(jī)中輸出的動(dòng)力經(jīng)過直齒傳動(dòng)和行星傳動(dòng)后，帶動(dòng)滾筒運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)落煤與裝煤。

圖1 采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)主要構(gòu)成

2 搖臂結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

利用PRO/E 軟件建立搖臂結(jié)構(gòu)的三維幾何模型，具體結(jié)構(gòu)見圖1。在建立幾何模型時(shí)需要對(duì)一些非核心結(jié)構(gòu)進(jìn)行省略，比如圓角、倒角等位置，此舉可以在保障計(jì)算結(jié)果精度的同時(shí)提升計(jì)算速度。將建立好的幾何模型導(dǎo)出為STL 格式，再將其導(dǎo)入到ANSYS 軟件中進(jìn)行后續(xù)的建模。首先需要進(jìn)行材料屬性的設(shè)置，搖臂結(jié)構(gòu)殼體部位采用的材料為Q345，將該類型材料的物理和力學(xué)屬性輸入到有限模型中參與計(jì)算，以保障最終計(jì)算結(jié)果的精度。然后是對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在充分考慮實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，選擇六面體網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，最終得到的網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為15 352 和17 653 個(gè)。考慮到搖臂結(jié)構(gòu)工作時(shí)會(huì)繞銷軸部位進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)搖臂結(jié)構(gòu)處于不同角度時(shí)，整體的受力情況也存在很大差異，所以研究了搖臂結(jié)構(gòu)與水平方向呈不同角度時(shí)的受力情況。

3 搖臂結(jié)構(gòu)受力結(jié)果分析與討論

基于上述的建模方法和流程，完成采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)的受力分析有限元模型的建立工作并調(diào)用計(jì)算模塊對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算?？紤]到搖臂結(jié)構(gòu)工作時(shí)會(huì)處于不同的轉(zhuǎn)角狀態(tài)，因此研究了搖臂結(jié)構(gòu)處于不同轉(zhuǎn)角時(shí)的受力情況。如下頁表1 所示為搖臂結(jié)構(gòu)處于不同轉(zhuǎn)角狀態(tài)時(shí)的變形和受力情況。由表中數(shù)據(jù)可以明顯看出，隨著搖臂結(jié)構(gòu)與水平面之間角度的不斷增加，搖臂結(jié)構(gòu)的最大位移和最大應(yīng)力值均出現(xiàn)了不同程度的增加。當(dāng)兩者之間的角度為55°時(shí)，位移和應(yīng)力值均達(dá)到了最大狀態(tài)，意味著這是搖臂結(jié)構(gòu)最惡劣的工況。

表1 搖臂結(jié)構(gòu)處于不同轉(zhuǎn)角狀態(tài)時(shí)的變形和受力情況

如圖2 所示為搖臂結(jié)構(gòu)與水平面成55°時(shí)的位移和應(yīng)力分布云圖，其他三種工況的位移和應(yīng)力分布云圖有相同的分布規(guī)律。從位移分布云圖中可以看出，最大位移出現(xiàn)的位置在搖臂結(jié)構(gòu)的行星頭部位，并且與耳座之間的距離越遠(yuǎn)，則對(duì)應(yīng)的位移就越大。出現(xiàn)這種情況的原因在于搖臂結(jié)構(gòu)是通過上下耳座實(shí)現(xiàn)與采煤機(jī)的連接與固定，所以行星頭部位的載荷值最大，整個(gè)搖臂結(jié)構(gòu)屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)，與支撐點(diǎn)之間的距離越遠(yuǎn)，則其位移值越大。最大位移達(dá)到了4.28 mm。從應(yīng)力分布云圖中可以看出，整個(gè)搖臂結(jié)構(gòu)的受力情況并不是非常均勻，位移較大的行星頭部位的應(yīng)力卻基本為零，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在齒輪箱殼體和電動(dòng)機(jī)腔體中間的肋板部位。最大應(yīng)力值達(dá)到了155.6 MPa。搖臂結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制作材料為Q345，該種材料的屈服強(qiáng)度為345 MPa。由于采煤機(jī)較為特殊，其安全系數(shù)通常取為2.5，則可以計(jì)算得到搖臂結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力值為138 MPa。可以看出搖臂結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力已經(jīng)超過了材料的許用應(yīng)力，存在一定的危險(xiǎn)性。

圖2 搖臂結(jié)構(gòu)與水平面成55°時(shí)的位移和應(yīng)力分布云圖

4 搖臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

基于以上分析可以看出，搖臂結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值出現(xiàn)在齒輪箱殼體和電動(dòng)機(jī)腔體中間的肋板部位，所以需要對(duì)該位置附近的鋼板高度和厚度進(jìn)行優(yōu)化，使用的優(yōu)化軟件為ANSYS。取三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，分別為筋板的厚度ds_bh、筋板在水平方向的寬度ds_xth、筋板的高度ds_lbad，如圖3 所示為三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的具體位置。上述三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的取值范圍分別設(shè)定在（63，77）（63，77）（250，450）。ANSYS 軟件在計(jì)算時(shí)會(huì)在上述三個(gè)范圍內(nèi)取值并對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比搖臂結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值，當(dāng)最大應(yīng)力值處于最小狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為結(jié)果最優(yōu)。

圖3 搖臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)

經(jīng)過計(jì)算后得到的最優(yōu)結(jié)果為：筋板厚度為67.5 mm、筋板在水平方向的寬度為63.15 mm、筋板的高度為425.69 mm。優(yōu)化改進(jìn)后，搖臂結(jié)構(gòu)與水平方向成55°角時(shí)的位移和應(yīng)力分布云圖如圖4 所示。對(duì)比優(yōu)化前后的云圖可以看出，不管是位移云圖還是應(yīng)力云圖，整體上的分布規(guī)律變化不是很大。但是最大位移值和最大應(yīng)力值分別降低到了3.297 mm 和130.77 MPa，降低的幅度分別為22.96%和15.95%。通過對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使得最大位移和最大應(yīng)力值均出現(xiàn)了一定程度的降低，最重要的是最大應(yīng)力值降低到了材料的許用應(yīng)力值以下，有效保障了該結(jié)構(gòu)工作時(shí)的安全性。

圖4 優(yōu)化后搖臂結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力分布云圖

將優(yōu)化改進(jìn)后的搖臂結(jié)構(gòu)應(yīng)用到J71A型采煤機(jī)中，并進(jìn)行了連續(xù)6 個(gè)月時(shí)間的觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)整體的運(yùn)行效果良好，搖臂結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)明顯的故障問題，故障率與之前相比有了明顯的降低，使用壽命提升了15%以上。綜上，對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)取得了很好的應(yīng)用效果，獲得了煤礦技術(shù)人員的一致認(rèn)可。

5 結(jié)論

1）搖臂結(jié)構(gòu)正常工作時(shí)，隨著搖臂結(jié)構(gòu)與水平面之間角度的不斷增加，最大位移和最大應(yīng)力均出現(xiàn)了一定程度的增加。當(dāng)角度為55°時(shí)的情況最為惡劣，最大位移值和最大應(yīng)力值分別達(dá)到4.28 mm和155.6 MPa。

2）以筋板的厚度、高度和寬度為優(yōu)化目標(biāo)，利用ANSYS 軟件對(duì)搖臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。在其他情況均相同的情況下，當(dāng)角度為55°時(shí)對(duì)應(yīng)的最大位移值和最大位移值分別降低了22.96%和15.95%。

3）將優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用到采煤機(jī)工程實(shí)踐中，取得了很好的應(yīng)用效果，搖臂結(jié)構(gòu)的壽命有了顯著提升，有效保障了采煤機(jī)的服役穩(wěn)定性。