采煤機(jī)搖臂可靠性數(shù)值模擬研究

王志波

（西山煤電西曲礦，山西 古交030200）

引言

采煤機(jī)作為我國(guó)煤礦開采的主要機(jī)械設(shè)備，其工作性能的優(yōu)越程度很大程度上決定著煤礦的產(chǎn)量，但由于煤礦地質(zhì)條件大不相同使得煤礦對(duì)采煤機(jī)的要求也不相同，在礦山工作環(huán)境較為惡略時(shí)，采煤機(jī)搖臂將截割電機(jī)的傳動(dòng)力進(jìn)行傳遞，在截割過程中起到關(guān)鍵的作用。此前眾多學(xué)者對(duì)采煤機(jī)搖臂進(jìn)行研究[1-4]。當(dāng)采煤機(jī)搖臂發(fā)生故障時(shí)，采煤機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響著礦山的高效生產(chǎn)。以MG900/2210-GWD采煤機(jī)為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)采煤機(jī)的關(guān)鍵部件二軸和殼體進(jìn)行分析，并對(duì)可靠性進(jìn)行一定的核算，為采煤機(jī)的安全運(yùn)行提供一定的保障。

1 模型建立

搖臂作為采煤機(jī)的重要組成部分，其主要功能是對(duì)采煤機(jī)電機(jī)和采煤機(jī)滾筒間進(jìn)行力的傳遞，同時(shí)搖臂起到一定調(diào)節(jié)滾筒高度的作用。采煤機(jī)搖臂的組成部分主要包括截割電機(jī)、搖臂齒輪、搖臂殼體、減速器等。搖臂與機(jī)身通過銷軸鉸進(jìn)行連接，銷軸和牽引減速箱進(jìn)行連接，滾筒的升降受油缸伸縮的控制。采煤機(jī)搖臂殼體前端選用雙彎曲結(jié)構(gòu)，這樣可以使得提升裝煤效率。

利用數(shù)值模擬軟件對(duì)部件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析可以有效解決工程中眾多問題，數(shù)值模擬分析根據(jù)模型類型可分為二維模擬平面的應(yīng)力應(yīng)變分析和三維模型分析。本文利用solidworks建模軟件建立二軸和殼體三維模型。Solidworks軟件具有功能強(qiáng)大、技術(shù)先進(jìn)、操作簡(jiǎn)便及易學(xué)的特點(diǎn)。在進(jìn)行模型計(jì)算時(shí)需要先對(duì)采煤機(jī)的二軸和殼體進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化時(shí)不僅需要保證計(jì)算的準(zhǔn)確性而且還需縮短計(jì)算的時(shí)間。模型的簡(jiǎn)化原則為零部件尺寸不變，危險(xiǎn)且受力較大部位不可省略，同時(shí)在保證結(jié)構(gòu)的剛度及受力的情況下可以適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格劃分部位，對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小的部位如圓角、倒角及小孔等進(jìn)行省略。在進(jìn)行焊接時(shí)選定為等強(qiáng)度焊接原則，所以本文不考慮焊接縫的強(qiáng)度。

采煤機(jī)的搖臂殼體為采煤機(jī)搖臂減速部件的載體，對(duì)搖臂的傳動(dòng)部件、密封件及板件等進(jìn)行支撐，使得部件按照相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行移動(dòng)，但采煤機(jī)搖臂殼體由于其剛度問題極易發(fā)生損壞，為使其滿足工作條件較為惡劣時(shí)的正常運(yùn)行，所以在進(jìn)行其設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行輕化處理，但加工質(zhì)量和剛度對(duì)其影響十分重要，所以對(duì)采煤機(jī)搖臂殼體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要的。通過solidworks軟件繪制三維模型后導(dǎo)入至ANSYS數(shù)值模擬軟件，導(dǎo)入的方式可以分為通過自帶接口進(jìn)行導(dǎo)入，另一種是通過中間格式如Parasolid和IGES進(jìn)行導(dǎo)入，本文選擇后者。首先對(duì)導(dǎo)入模型進(jìn)行材料屬性和單元類型進(jìn)行設(shè)置，材料的彈性模量E=2.2×1011Pa、密度ρ=7.91×103kg/m3、泊松比μ=0.27。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分時(shí)需要遵循受力集中部位網(wǎng)格粗劃分，在應(yīng)力較為分散的位置可以適當(dāng)?shù)膶⒕W(wǎng)格粗劃分，網(wǎng)格劃分的粗細(xì)直接影響模擬的計(jì)算時(shí)間，網(wǎng)格劃分越粗模擬計(jì)算時(shí)間越短，反之計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)。本文網(wǎng)格劃分選定為自由網(wǎng)格劃分方式。對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)置，邊界加載選定對(duì)稱加載，在模型搖臂耳座孔處加載x、y、z的平動(dòng)約束，同時(shí)x、y軸施加轉(zhuǎn)動(dòng)約束。

2 數(shù)值模擬分析研究

分別對(duì)煤層傾角30°，搖臂的擺角0°；煤層傾角30°，搖臂的擺角42°；煤層傾角30°，搖臂的擺角42°斜進(jìn)刀模式；煤層傾角0°，搖臂的擺角18°，模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同工況下?lián)u臂殼體數(shù)值模擬云圖

從圖1中可以看出：在煤層傾角為30°、擺角為0°工況下，搖臂殼體的變形量最大值出現(xiàn)在搖臂殼體的頭部位置，最大變形量為1.8 mm，此工況下的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在殼體的二軸三軸及頭部的位置，最大應(yīng)力值96 MPa，同時(shí)可以看出此時(shí)的殼體應(yīng)力值及變形量均較小。在煤層傾角為30°、擺角為42°的工況下，搖臂殼體的變形最大值出現(xiàn)在殼體的頭部，最大值為2.86 mm，最大的應(yīng)力值達(dá)到122 MPa，較第一種工況時(shí)有了一定的增大，殼體頭部的應(yīng)力分布有了一定的下降，此時(shí)的搖臂殼體變形量及應(yīng)力較大。在煤層傾角為30°，擺角為42°斜進(jìn)刀時(shí)，此時(shí)的搖臂殼體的變形量最大值出現(xiàn)在搖臂殼體的頭部位置，最大變形量為2.86 mm，此工況下的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在殼體的頭部位置，最大應(yīng)力值123 MPa，同時(shí)可以看出此時(shí)的殼體應(yīng)力值及變形量較大。在煤層傾角為0°，擺角為18°的工況下，搖臂殼體的變形量最大值出現(xiàn)在搖臂殼體的頭部位置，最大變形量為1.56 mm，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在殼體的二軸三軸安裝孔位置，最大應(yīng)力值60 MPa，可以看出此時(shí)的殼體應(yīng)力值及變形量與前三種工況下相比均較小，為三種工況的最小值。四種工況下殼體的變形量最大值均出現(xiàn)在殼體的頭部位置，而最大主應(yīng)力除了工況一出現(xiàn)在殼體頭部，剩余工況均出現(xiàn)在二軸的安裝孔位置，最大應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，所以殼體設(shè)計(jì)的安全系數(shù)較大，可適當(dāng)進(jìn)行減小，同時(shí)可以削減一定的重量，以達(dá)到降本的目的。

類似的對(duì)搖臂二軸進(jìn)行三維模擬分析，材料屬性、邊界條件設(shè)定及網(wǎng)格劃分等均與搖臂殼體類似，四種工況下的模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 二軸應(yīng)力應(yīng)變模擬云圖

從圖2所示可以看出，二軸的整體變形量較小，最大應(yīng)力出現(xiàn)在齒輪的齒根位置。對(duì)二軸的齒輪和軸齒輪進(jìn)行分析會(huì)發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)加載時(shí)軸齒輪的應(yīng)力最大值為56.4 MPa，而齒輪的最大值為139 MPa。可以發(fā)現(xiàn)二軸的剛度對(duì)應(yīng)力的分布及應(yīng)力的大小均有著一定的影響，在后期進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，同時(shí)剛度的核算也是必不可少的。

3 結(jié)論

1）本文對(duì)四種工況下?lián)u臂殼體的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)四種工況下?lián)u臂殼體的應(yīng)力最大值均小于材料的許用強(qiáng)度，且搖臂殼體的變形量較小，所以對(duì)殼體進(jìn)行減耗增本。

2）對(duì)搖臂二軸進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)二軸整體的變形量及受力均較小，應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在二軸齒輪的齒根位置，所以可以對(duì)齒根進(jìn)行一定的補(bǔ)強(qiáng)，保證其可靠性。