采煤機雙電機截割部殼體預應力模態分析

張燕，王士柱，王式民

（棗莊科技職業學院，山東 棗莊277500）

0 引 言

在采煤過程中，采煤機截割部［1-3］要承受較大的載荷，使截割部殼體產生變形、扭轉和振動等，甚至產生局部斷裂，尤其是雙電機串聯驅動系統設計中，在選擇兩臺串聯驅動電機時，通常認為如果其機械特性不完全相同就會產生振動等問題［4－5］，并且殼體不但支撐滾筒截割煤層，而且是傳動系統的箱體，殼體的變形必然影響傳動裝置的運行，且采煤機工作條件惡劣，要求采煤機截割部殼體有足夠的強度和剛度。因此建立采煤機截割部殼體的實體模型，導入有限元分析軟件ANSYS 后，對其結構進行預應力模態分析，獲得采煤機截割部的模態振型，為采煤機截割部的進一步改進提供依據。

1 雙電機截割部殼體數值模型

1.1 截割部參數及模型的建立

利用三維建模軟件Pro/E 建立截割部殼體實體模型，并在Workbench 中建立預應力模態分析模型，在模塊的Engineering Data 里選擇需要定義殼體材料的Structural Steel 材料（彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比v=0.3），在Geometry 上右鍵輸入殼體模型。薄煤層采煤機截割部有關參數如表1 所示。

表1 截割部有關參數

在模型導入完成后，進行有限元仿真分析非常重要的一步——網格劃分。用戶所用網格劃分方法和所劃網格大小、形狀將直接影響著仿真分析的結果準確性和仿真時間。本文采用了自由網格劃分，共有19 444 個單元，35 649 個節點，有限元模型結果如圖1 所示。

圖1 殼體有限元模型

1.2 約束及載荷的施加

1）圓柱約束及z 向位移約束。采煤機截割部與牽引部連接是通過銷軸連接的，是旋轉副連接，因此，對4 個耳座孔添加圓柱約束，而左端面施加z 向位移約束，如圖2。

2）法面約束。截割部經過安裝，殼體的孔大多不空缺，因此，在電機孔處、安裝惰軸孔處及所安裝軸承配合的孔處施加法面約束，以體現所裝配零件的支撐作用。

3）載荷施加。殼體的另一端與滾筒相連接，滾筒割煤受到載荷的作用，所以對殼體的力全來自滾筒，在殼體的頭部施加上述兩種載荷，如圖3 所示。

最后利用ANSYS Workbench 對采煤機截割部殼體進行模態分析［4］，將 靜 力 分 析 與 模態分析結合，對殼體進行有預應力的模態分析。如圖4 所示。

圖2 圓柱約束

2 結果分析

利用有限元軟件ANSYS Workbench 求解分析所建立的搖臂殼體的有限元模型，由分析得到的殼體應力分布如圖5 所示。

截割部殼體的應力分布均是由其受力彎曲并帶有較大的扭轉引起的，殼體前端安裝截割頭處及各級軸孔產生的應力較大、較集中，殼體安裝電機處及耳座處應力相對較小。最大應力為73 MPa，不會對殼體的正常工作造成直接的危害。但在采煤過程中，整個截割部受交變載荷作用，應力集中處會嚴重影響殼體的疲勞壽命，導致截割頭、行星機構及殼體之間連接的失效以及各級軸孔產生破裂，影響傳動準確性和平穩性。所以，需采取適當措施提高應力集中區的強度。

圖3 載荷施加

圖4 截割部殼體預應力模態分析模塊

圖5 應力分布

在應力分析基礎上，結合模態分析，對模型進行預應力模態分析，應用Workbench 對模型進行求解，提取前5 階模態的振型，如圖6 所示，各階頻率如表2 所示。

由ANSYS Workbench 對截割部殼體的模態分析得到的各階振型可知：

表2 殼體5 階固有頻率

圖6 雙電機截割部殼體5 階振型

第1 階振態是殼體在一個與XOY 平面成一定夾角的振動。該階最大振動變形主要集中在殼體安裝截割頭處。

第2 階振態是殼體在一個與XOZ 平面成一定夾角的振動。該階最大振動變形也主要集中在殼體安裝截割頭處。

第3 階振態是殼體沿X 方向的扭轉振動，最大振動變形主要集中在殼體安裝截割頭處和右電動機尾部，整個殼體傳動箱沿X 方向的扭轉變形會影響截割部傳動系統的傳動精度和穩定性，可能會引起傳動軸的擠壓變形。

第4 階振態是殼體沿X 方向的扭轉振動，最大振動變形主要集中在殼體安裝截割頭處，變形相對于第3 階振態要小。

第5 階振態是殼體在一個與XOY 平面成一定夾角的振動，以及在一個與XOZ 平面成一定夾角振動的復合振動，最大振動變形主要集中在殼體安裝截割頭處，變形也相對較大。

3 結 論

利用三維實體建模軟件Pro/E 建立三維模型，并在有限元軟件ANSYS Workbench 中進行預應力模態分析。預應力模態分析結果顯示了該型號采煤機截割部殼體在受載過程中的薄弱環節及其各階固有頻率、各階振型，為截割部殼體的進一步改進及其優化設計提供了依據，截割部殼體的固有頻率由其自身的結構決定，為了避免其在工作過程中發生劇烈振動，可以通過改變其結構形式從而使其固有頻率遠離工作中的振動頻率。

［1］ 張瑾，張燕.基于ANSYS 的采煤機截割部有限元分析［J］.煤礦機械，2013，34（7）：92-93.

［2］ 宋凱健，代星軍.采煤機截割部行星機構行星輪模態分析［J］.煤礦機械，2013，34（1）：109-111.

［3］ 吳衛東，安興偉.基于ANSYS 的采煤機搖臂的有限元分析［J］.煤礦機械，2009，30（3）：77-79.

［4］ 謝貴君，楊兆建，王義亮.大采高電牽引采煤機搖臂結構模態分析［J］.機械工程與自動化，2011（1）：12-14.

［5］ 李嘉鵬.薄煤層采煤機截割部行星架有限元分析［J］.機械工程與自動化，2012，33（4）：93-95.