采煤機(jī)搖臂數(shù)值模擬優(yōu)化研究

李爭(zhēng)春

(西山煤電集團(tuán) 馬蘭礦， 山西 古交 030053)

采煤機(jī)作為礦山開(kāi)采的主要開(kāi)采設(shè)備，承擔(dān)著礦山生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)命脈，但由于開(kāi)采環(huán)境的復(fù)雜性，許多采煤機(jī)的零件承受不住過(guò)高載荷發(fā)生了磨損嚴(yán)重甚至折斷的情況，搖臂作為采煤機(jī)的重要組成部分比其他部件承受的載荷更大，所以采煤機(jī)搖臂的剛度和強(qiáng)度在一定程度上決定了采煤機(jī)的工作性能。此前許多學(xué)者對(duì)采煤機(jī)搖臂進(jìn)行了研究和分析，李曼等[1]基于巨磁阻效應(yīng)設(shè)計(jì)了采煤機(jī)搖臂的角度傳感器，為采煤機(jī)實(shí)際工況下的角度測(cè)量提供了方法，解決了采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的缺陷。李磊等[2]結(jié)合采煤機(jī)的實(shí)際工況對(duì)采煤機(jī)的搖臂進(jìn)行了分析和研究，發(fā)現(xiàn)搖臂上的齒輪傳動(dòng)箱和電動(dòng)機(jī)倉(cāng)相交處與行星頭部和齒輪傳動(dòng)箱相交處應(yīng)力集中,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮。張義民等[3]以MG300/700-WD型采煤機(jī)為研究對(duì)象，利用matlab軟件對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，對(duì)采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，且證明了其實(shí)用性與可靠性。韓玉龍[4]對(duì)單個(gè)齒輪建立了物理模型，分析了齒輪的失效形式和故障分析，得到了采煤機(jī)搖臂的齒輪振動(dòng)故障失效方式，為優(yōu)化開(kāi)采提供了指導(dǎo)。通過(guò)對(duì)采煤機(jī)的搖臂進(jìn)行研究，采用了數(shù)值模擬輔助的方法對(duì)搖臂系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 采煤機(jī)搖臂靈敏性研究

利用Pro/E軟件進(jìn)行采煤機(jī)搖臂的建模，首先選擇合理的基準(zhǔn)面，然后在基準(zhǔn)面上建立搖臂模型的草圖，對(duì)畫(huà)好的草圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、拉伸掃描等操作得到部件的基本特征。第二步對(duì)零件進(jìn)行拔模、抽殼和倒角等操作，完成模型的初步建立，考慮到實(shí)體搖臂非常復(fù)雜，一些細(xì)小的螺紋孔對(duì)模型的計(jì)算影響較小，所以暫不考慮。最后將建立好的模型進(jìn)行材料屬性的設(shè)置，完成模型的建立。

采煤機(jī)搖臂優(yōu)化主要是對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，找到最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。為了解決搖臂的直齒傳動(dòng)的殼體應(yīng)力集中現(xiàn)象，選擇對(duì)搖臂壁厚進(jìn)行一定的優(yōu)化分析，考慮到電動(dòng)機(jī)和搖臂殼體接觸位置同樣有應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以也加以分析。選取的設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)見(jiàn)圖1.

根據(jù)實(shí)際工作情況，該優(yōu)化主要是保證最大變形位移小于工程的安全要求，盡量降低搖臂的重量和搖臂的Mises應(yīng)力，優(yōu)化的變量和優(yōu)化目標(biāo)變量見(jiàn)表1.

為了確定目標(biāo)變量參數(shù)的優(yōu)化對(duì)模型的影響，進(jìn)行靈敏度分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖1 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量選取示意圖

目標(biāo)項(xiàng)目初始值上限下限預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)變量壁厚ds-bh/mm707763箱體厚ds-xth/mm707763肋板高ds-lbgd/mm309250450目標(biāo)變量最大變形量/mm2.9——最大應(yīng)力值/MPa152——搖臂質(zhì)量/kg6 517——

圖2 靈敏度分析直方圖

由圖2可以看出，設(shè)計(jì)變量對(duì)搖臂模型的質(zhì)量影響最小，最大等效應(yīng)力影響最大。隨著設(shè)計(jì)變量增大，搖臂的自重也隨之增大，但隨著設(shè)計(jì)變量的增大，最大等效應(yīng)力和最大等效位移變形都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，與實(shí)際的工作情況符合。對(duì)于搖臂的自重來(lái)說(shuō)，箱體厚度對(duì)搖臂的自重影響最大，而肋板高度對(duì)搖臂的質(zhì)量影響最小。箱體的厚度對(duì)最大等效位移影響最大，肋板高度對(duì)其影響也較大，最小的是搖臂的壁厚。在最大等效應(yīng)力方面可以看出，搖臂的壁厚對(duì)最大等效應(yīng)力的影響最大，肋板高度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響也較大，所以為了減小最大等效應(yīng)力，可以適當(dāng)?shù)丶雍駬u臂的壁厚和肋板的高度，以達(dá)到降低應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

2 采煤機(jī)搖臂優(yōu)化研究

為了有效降低搖臂的最大等效應(yīng)力，同時(shí)降低搖臂的質(zhì)量，采用增加搖臂壁厚同時(shí)降低搖臂箱體厚度的方法，優(yōu)化前后的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3.

圖3 優(yōu)化前后搖臂的等效應(yīng)力云圖

由圖3可以看出，優(yōu)化前后的搖臂等效應(yīng)力相差無(wú)幾，應(yīng)力集中都處在肋板處的位置，但不同的是在優(yōu)化后的搖臂等效應(yīng)力的應(yīng)力集中區(qū)域明顯更大，應(yīng)力分布更加均勻，最大等效應(yīng)力從優(yōu)化前的152 MPa降到了優(yōu)化后的131 MPa，降低了21 MPa，約降低了14%，降低最大等效應(yīng)力的目標(biāo)達(dá)成，且優(yōu)化后的采煤機(jī)搖臂的應(yīng)力值都小于許可應(yīng)力，驗(yàn)證了優(yōu)化的可行性與可靠性。采煤機(jī)搖臂優(yōu)化前后的位移變化云圖見(jiàn)圖4.

圖4 搖臂優(yōu)化前后的位移變化云圖

從圖4可以看出，優(yōu)化前位移的變化量最大值為3.28 mm，優(yōu)化后的最大位移變化量增加到了3.29 mm，增大了0.01 mm，相對(duì)來(lái)說(shuō)最大位移變量幾乎呈現(xiàn)出不變的趨勢(shì)，且優(yōu)化前后的位移變化量都符合生產(chǎn)安全規(guī)范。對(duì)采煤機(jī)的搖臂進(jìn)行優(yōu)化后，降低了搖臂的質(zhì)量，節(jié)約了搖臂的制作成本。在降低采煤機(jī)搖臂質(zhì)量的同時(shí)，降低了搖臂的應(yīng)力集中和最大應(yīng)力值，卻不加大搖臂的最大位移，所以該次的優(yōu)化較為成功，可以有效地提升搖臂的強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

1) 通過(guò)對(duì)采煤機(jī)搖臂目標(biāo)變量的靈敏度分析，得到了對(duì)采煤機(jī)搖臂質(zhì)量、搖臂的最大等效應(yīng)力和搖臂的最大等效位移影響最大的目標(biāo)參數(shù)，為優(yōu)化研究提供了基礎(chǔ)。

2) 通過(guò)對(duì)搖臂優(yōu)化前后應(yīng)力云圖的分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前后最大的應(yīng)力分布區(qū)域幾乎類(lèi)似，但優(yōu)化后的最大應(yīng)力值明顯減小，且應(yīng)力分布范圍較大，有效地提升了搖臂的強(qiáng)度和使用壽命。

3) 通過(guò)對(duì)搖臂優(yōu)化前后位移云圖的分析發(fā)現(xiàn)，在降低搖臂質(zhì)量的同時(shí)，優(yōu)化前后最大的位移變量幾乎相等，符合生產(chǎn)安全規(guī)范，所以搖臂的優(yōu)化較為成功。