不同工況下采煤機(jī)搖臂殼體靜力學(xué)的分析

張晉東

（山西焦煤西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司東曲煤礦，山西 太原 030200）

引言

采煤機(jī)是進(jìn)行煤礦綜采的重要設(shè)備，我國(guó)有大量的煤礦采用采煤機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)，采煤機(jī)工作的穩(wěn)定性對(duì)我國(guó)煤炭開(kāi)采的效率和產(chǎn)量均具有重要的影響。由于采煤機(jī)在井下作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)于采煤機(jī)的設(shè)計(jì)使用往往采用較大的冗余度來(lái)保證采煤機(jī)的可靠性，這種方式容易造成采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)過(guò)于笨重，造成了采煤機(jī)生產(chǎn)成本的增加及資源的浪費(fèi)[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用CAE技術(shù)進(jìn)行采煤機(jī)等各類(lèi)采煤機(jī)械的設(shè)計(jì)成為主流。采用CAE技術(shù)對(duì)采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，可以提高采煤機(jī)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，同時(shí)，針對(duì)采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特定的分析，可以?xún)?yōu)化采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)，避免資源的浪費(fèi)，降低采煤機(jī)的制造成本。

1 采煤機(jī)搖臂殼體的建模

采煤機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，由搖臂和滾筒組成截割機(jī)構(gòu)，截割機(jī)構(gòu)通過(guò)滾筒的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層的切割，而搖臂依據(jù)煤層的不同對(duì)滾筒的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變滾筒的姿態(tài)，最大程度地提升截割的效率。采煤機(jī)搖臂對(duì)滾筒的調(diào)節(jié)通過(guò)安裝在搖臂殼體上的減速器及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，搖臂殼體作為主要的承載部件，同時(shí)對(duì)減速器、傳動(dòng)系統(tǒng)及密封件等進(jìn)行支撐。搖臂殼體的性能對(duì)于搖臂的調(diào)節(jié)作用具有重要的影響[2]，是采煤機(jī)的關(guān)鍵零部件，并且由于殼體的承載較大，是采煤機(jī)的易損零部件，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于搖臂殼體常采用較大的安全系數(shù)來(lái)保證殼體的穩(wěn)定性。由于采煤機(jī)搖臂殼體的結(jié)構(gòu)對(duì)采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的截割效率及性能具有重要的影響，因此，對(duì)于搖臂殼體的受力進(jìn)行仿真分析[3]，并對(duì)殼體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。

搖臂殼體采用主體和板件焊接而成，對(duì)殼體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，由于搖臂殼體的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在建模過(guò)程中，要對(duì)殼體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。由于焊縫處的強(qiáng)度和板件一致，在建模過(guò)程中，忽略焊縫的影響，并對(duì)于殼體的細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用SolidWorks進(jìn)行殼體三維模型的建立，得到搖臂殼體的模型如圖1所示。

圖1 搖臂殼體的三維模型

建立搖臂殼體的三維模型之后，將其導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析。首先對(duì)所導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用自由網(wǎng)格的形式進(jìn)行劃分并采用Smartsize對(duì)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行控制[4]，對(duì)于殼體的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化，保證搖臂殼體的網(wǎng)格劃分完成，并對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行檢查。

2 不同工況下?lián)u臂殼體靜力學(xué)分析

由于采煤機(jī)在工作過(guò)程中要依據(jù)煤層的不同對(duì)截割滾筒的位置進(jìn)行調(diào)整，從而造成搖臂殼體的姿態(tài)是多變的。對(duì)搖臂殼體進(jìn)行靜力學(xué)分析，要依據(jù)不同的位置對(duì)其受力及變形進(jìn)行分析。依據(jù)采煤機(jī)進(jìn)行開(kāi)采時(shí)的煤層傾角及搖臂擺角的不同組合[5]，劃分四種不同的工況對(duì)其進(jìn)行分析，各工況的參數(shù)見(jiàn)下頁(yè)表1。

首先對(duì)工況一的搖臂殼體進(jìn)行分析，殼體材料屬性設(shè)定為泊松比為0.27，采用多點(diǎn)加載的方式對(duì)殼體進(jìn)行加載，不同工況時(shí)，設(shè)定加載的位置不同來(lái)保證殼體受力的準(zhǔn)確性。在工況一時(shí)，通過(guò)有限元分析軟件ANSYS Workbench的運(yùn)算，得到工況一時(shí)搖臂殼體的變形及應(yīng)力分布分別如圖2、圖3所示。

表1 搖臂殼體工況

圖2 工況一搖臂殼體變形（m）分布

圖3 工況一搖臂殼體應(yīng)力（Pa）分布

從圖2中可以看出，在工況一下，搖臂殼體的整體變形量較小，最大變形量為1.8 mm，最大變形的位置在搖臂殼體的頭部位置。從圖3中可以看出，搖臂殼體在工況一下所承受的應(yīng)力整體較小，最大應(yīng)力值為96 MPa，最大應(yīng)力同樣出現(xiàn)在殼體的頭部位置[6]，在安裝孔的位置處應(yīng)力也有所增加。從應(yīng)力及變形量來(lái)說(shuō)，工況一的承載均較小，遠(yuǎn)低于搖臂殼體的設(shè)計(jì)值。采用同樣的方式對(duì)工況二、三、四中的搖臂殼體進(jìn)行仿真分析，將其最大變形量及最大應(yīng)力值分別記錄，并采用曲線(xiàn)的形式進(jìn)行描述，得到如圖4所示的不同工況下的變形及應(yīng)力值分布曲線(xiàn)。

圖4 不同工況變形及應(yīng)力值分布曲線(xiàn)

從圖4中可以看出，在不同工況下?lián)u臂殼體的變形量及應(yīng)力值均處于較小的水平，在工況四的變形及應(yīng)力值最小，工況三的變形量及應(yīng)力值最大，但也遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力。由此說(shuō)明，在搖臂殼體的設(shè)計(jì)中，由于采用了較大的安全系數(shù)，使得搖臂殼體的工作穩(wěn)定性得到了保障，但是從靜力學(xué)分析可以看出，在不同工況下的搖臂殼體變形量及應(yīng)力值均較小，遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力。這種設(shè)計(jì)方式造成了材料的浪費(fèi)，不能充分發(fā)揮搖臂殼體的性能，因此，隨著CAE技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于搖臂殼體要采取相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證殼體的剛度及強(qiáng)度的同時(shí)，應(yīng)減少搖臂殼體的材料使用，充分發(fā)揮搖臂殼體的性能，優(yōu)化采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

針對(duì)采煤機(jī)搖臂殼體零件，采用有限元分析的方式，對(duì)不同工況下的搖臂殼體的變形及應(yīng)力分布情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明在不同工況下的搖臂殼體變形量及應(yīng)力值均較小，遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力。搖臂殼體的使用存在著材料的浪費(fèi)，不能充分發(fā)揮搖臂殼體的性能。隨著CAE技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于搖臂殼體要采取相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證殼體的剛度及強(qiáng)度的同時(shí)，可減少搖臂殼體的材料使用，充分發(fā)揮搖臂殼體的性能，優(yōu)化采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)，從而提高采煤機(jī)的性能。