采煤機截割部搖臂箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化及效果評價

徐云龍

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦， 山西 古交 030200）

引言

煤炭是保障我國經(jīng)濟穩(wěn)定、快速增長的主要能源，在未來很長一段時間內(nèi)其仍然在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導地位。采煤機作為綜采工作面的關鍵設備，其截割能力、裝煤能力等是衡量其性能的關鍵參數(shù)。采煤機截割部滾筒作為直接與煤層接觸的部件，由于工作面煤層、巖層的不均勻性導致其所承受的載荷處于動態(tài)變化的情況，進而導致截割部滾筒、搖臂內(nèi)部齒輪等出現(xiàn)不規(guī)則的振動，從而影響截割部的生產(chǎn)效率[1]。本文將針對上述工況通過對采煤機搖臂箱體和齒輪等部件進行優(yōu)化達到提升截割部動力性能的目的，提高生產(chǎn)效率。

1 采煤機截割現(xiàn)狀分析

近年來，綜采工作面的生產(chǎn)能力進一步提升，直接表現(xiàn)為采煤機的截割功率由300 kW 提升至2500 kW。采煤機在綜采工作面的工作示意圖如圖1 所示。

圖1 綜采工作面采煤機工作示意圖

由圖1 可知，采煤機主要包括截割部、行走部、中間控制箱以及滾筒等。雙滾筒采煤機中的前滾筒對采煤機頂板煤層進行截割，后滾筒對底部煤層進行截割；行走部對采煤機的行走方向和速度進行控制；中間控制箱內(nèi)配置采煤機的通訊系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，可對采煤機工作狀態(tài)進行實時采集并發(fā)出控制指令，尤其是對采煤機滾筒的高度、轉(zhuǎn)速的控制及對行走速度、行走方向的控制[2]。

截割部作為采煤機關鍵部件，其核心為多級齒輪傳動系統(tǒng)；同時，采煤機截割部功耗占據(jù)整機的80%以上。實踐統(tǒng)計表明：截割部的故障占據(jù)整機故障的46.15%，其中，截割部中以其傳動系統(tǒng)的故障率最高，主要表現(xiàn)為齒輪故障。同時，由于當前采煤機實際工況越發(fā)復雜，導致截割部所承受的負載隨機性明顯，且負載對截割部和整機的沖擊較大；截割部的搖臂作為連接滾筒與機身的樞紐，截割部的隨機強大負載會對搖臂箱體造成沖擊，從而對其內(nèi)部齒輪的嚙合運行造成影響。因此，開展采煤機截割部動力性能優(yōu)化是十分有必要的。

2 采煤機截割部動力性能優(yōu)化

通過對采煤機變負載工況下其截割部動態(tài)特性進行仿真分析可知：

1）當負載系數(shù)從0.2 增大至1.8 時，采煤機截割部各級齒輪的嚙頻變化幅度較??；而采煤機截割部各級齒輪的嚙合齒向誤差及其載荷波動系數(shù)呈現(xiàn)線性關系[3]。

2）采煤機截割部搖臂的振動強度與截割部電機的轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)直接相關關系，負載系數(shù)與采煤機搖臂振動強度呈現(xiàn)近似線性關系，隨著負載系數(shù)的增加振動強度線性增加。

2.1 截割部搖臂箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對采煤機截割部搖臂箱體的優(yōu)化，可從尺寸、形狀以及拓撲三個層面開展研究。具體步驟如下：通過建立的采煤機截割部搖臂箱體的拓撲優(yōu)化模型對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并對最終的優(yōu)化結(jié)果進行評價。

2.1.1 截割部搖臂箱體拓撲優(yōu)化模型的建立

為保證最終的效果，同時考慮到仿真結(jié)果的準確性，可將截割部搖臂箱體的倒角、凹槽、螺孔等位置簡化，并對有限元網(wǎng)格模型進行修復。針對采煤機截割部搖臂殼體的拓撲優(yōu)化模型將其網(wǎng)格尺寸設置為65 mm。

2.1.2 定義優(yōu)化問題

所謂定義優(yōu)化問題為對優(yōu)化模型的相關變量、目標函數(shù)和約束條件進行設置。針對采煤機截割部搖臂箱體的優(yōu)化，定義的優(yōu)化變量為待優(yōu)化改進的區(qū)域，具體優(yōu)化變量為采煤機搖臂箱體的固有頻率[4]。

目前，采煤機截割部搖臂箱體所選用材料對應的抗拉強度為770 MPa，屈服極限為370 MPa。結(jié)合采煤機截割部的實際工況，其在額定工況下對應的載荷為113.43 MPa，在極限載荷工況下對應載荷為212.8 MPa。由此可以得出，采煤機截割部搖臂箱體在額定工況下的安全系數(shù)為2.97，在極限工況下的安全系數(shù)為1.58。結(jié)合相關標準，針對其在極限工況下的安全系數(shù)一般為1.5。因此，結(jié)合采煤機截割部的實際工況將搖臂箱體優(yōu)化后在極限載荷條件下不大于224MPa。

2.1.3 結(jié)果分析

在上述分析的基礎上，將建立的拓撲優(yōu)化模型采用自帶的優(yōu)化求解器進行仿真分析，并得出如圖2 所示的結(jié)果。

圖2 拓撲優(yōu)化模型仿真結(jié)果

如圖2 所示，最低處深色代表相對密度為0.01，最高處稍淺色的相對密度為1。上述仿真結(jié)果中，相對密度值越大，說明此處位置對改變搖臂箱體極限載荷的影響越大。通過分析可知：單純改變圖中深色區(qū)域?qū)u臂箱體的極限載荷作用不大，即增加滾筒端的箱體厚度對本次優(yōu)化無作用；改變圖中稍淺色區(qū)域?qū)u臂箱體的優(yōu)化作用最大，即增加搖臂箱體4 條邊的材料對本次優(yōu)化作用明顯[5]。

在上述分析的基礎上，對采煤機截割部搖臂箱體作出優(yōu)化，優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)對比如圖3 所示。

由圖3 可以看出，對截割部搖臂箱體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化后，箱體截面矩形的4 個角面積增大，對應的搖臂4條邊的寬度減少；同時，在搖臂軸承孔布置了加強筋?？紤]到搖臂滾筒箱體厚度對搖臂固有頻率不影響，為降低搖臂的質(zhì)量，對應減小了搖臂滾筒段的箱體厚度。

圖3 截割部搖臂箱體優(yōu)化前后對比

2.2 優(yōu)化效果評價

為驗證本次拓撲優(yōu)化的效果，將優(yōu)化前后的截割部搖臂箱體的模型在平穩(wěn)隨機載荷的工況下進行仿真對比，分別對滾筒支撐軸承孔的位移以及位移的波動情況進行對比，對比結(jié)果如表1。

表1 搖臂箱體優(yōu)化效果驗證

如表1 所示，對采煤機截割部搖臂箱體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化后，在平穩(wěn)隨機工況下?lián)u臂的變形位移明顯降低，且變形位移的波動也減小。

3 結(jié)論

1）具體優(yōu)化措施：減少搖臂4 條邊的寬度，在搖臂軸承孔布置了加強筋。同時，考慮到搖臂滾筒箱體厚度對搖臂固有頻率不影響，為降低搖臂的質(zhì)量，對應減小了搖臂滾筒段的箱體厚度。

2）經(jīng)對比，優(yōu)化后搖臂箱體在同種工況下箱體的變形量降幅為38.8%，變形位移的波動降幅為38.2%。