不同工況下采煤機搖臂殼體靜力學的分析

張晉東

（山西焦煤西山煤電（集團）有限責任公司東曲煤礦，山西 太原 030200）

引言

采煤機是進行煤礦綜采的重要設備，我國有大量的煤礦采用采煤機進行自動化作業，采煤機工作的穩定性對我國煤炭開采的效率和產量均具有重要的影響。由于采煤機在井下作業環境的復雜性，對于采煤機的設計使用往往采用較大的冗余度來保證采煤機的可靠性，這種方式容易造成采煤機的結構過于笨重，造成了采煤機生產成本的增加及資源的浪費[1]。隨著計算機技術的不斷發展，采用CAE技術進行采煤機等各類采煤機械的設計成為主流。采用CAE技術對采煤機的結構進行仿真分析，可以提高采煤機設計的穩定性，同時，針對采煤機的結構進行特定的分析，可以優化采煤機的結構，避免資源的浪費，降低采煤機的制造成本。

1 采煤機搖臂殼體的建模

采煤機進行作業時，由搖臂和滾筒組成截割機構，截割機構通過滾筒的旋轉實現對煤層的切割，而搖臂依據煤層的不同對滾筒的位置進行調節，改變滾筒的姿態，最大程度地提升截割的效率。采煤機搖臂對滾筒的調節通過安裝在搖臂殼體上的減速器及傳動機構實現，搖臂殼體作為主要的承載部件，同時對減速器、傳動系統及密封件等進行支撐。搖臂殼體的性能對于搖臂的調節作用具有重要的影響[2]，是采煤機的關鍵零部件，并且由于殼體的承載較大，是采煤機的易損零部件，因此，在設計過程中，對于搖臂殼體常采用較大的安全系數來保證殼體的穩定性。由于采煤機搖臂殼體的結構對采煤機截割機構的截割效率及性能具有重要的影響，因此，對于搖臂殼體的受力進行仿真分析[3]，并對殼體的結構進行優化設計十分必要。

搖臂殼體采用主體和板件焊接而成，對殼體的結構進行建模分析，由于搖臂殼體的結構較為復雜，在建模過程中，要對殼體的結構進行一定的簡化。由于焊縫處的強度和板件一致，在建模過程中，忽略焊縫的影響，并對于殼體的細小結構進行簡化處理，采用SolidWorks進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，將其導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中進行靜力學分析。首先對所導入的模型進行網格劃分，在進行網格劃分時，采用自由網格的形式進行劃分并采用Smartsize對網格尺寸進行控制[4]，對于殼體的局部結構進行細化，保證搖臂殼體的網格劃分完成，并對網格的質量進行檢查。

2 不同工況下搖臂殼體靜力學分析

由于采煤機在工作過程中要依據煤層的不同對截割滾筒的位置進行調整，從而造成搖臂殼體的姿態是多變的。對搖臂殼體進行靜力學分析，要依據不同的位置對其受力及變形進行分析。依據采煤機進行開采時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其進行分析，各工況的參數見下頁表1。

首先對工況一的搖臂殼體進行分析，殼體材料屬性設定為泊松比為0.27，采用多點加載的方式對殼體進行加載，不同工況時，設定加載的位置不同來保證殼體受力的準確性。在工況一時，通過有限元分析軟件ANSYS Workbench的運算，得到工況一時搖臂殼體的變形及應力分布分別如圖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力整體較小，最大應力值為96 MPa，最大應力同樣出現在殼體的頭部位置[6]，在安裝孔的位置處應力也有所增加。從應力及變形量來說，工況一的承載均較小，遠低于搖臂殼體的設計值。采用同樣的方式對工況二、三、四中的搖臂殼體進行仿真分析，將其最大變形量及最大應力值分別記錄，并采用曲線的形式進行描述，得到如圖4所示的不同工況下的變形及應力值分布曲線。

圖4 不同工況變形及應力值分布曲線

從圖4中可以看出，在不同工況下搖臂殼體的變形量及應力值均處于較小的水平，在工況四的變形及應力值最小，工況三的變形量及應力值最大，但也遠低于材料的許用應力。由此說明，在搖臂殼體的設計中，由于采用了較大的安全系數，使得搖臂殼體的工作穩定性得到了保障，但是從靜力學分析可以看出，在不同工況下的搖臂殼體變形量及應力值均較小，遠低于材料的許用應力。這種設計方式造成了材料的浪費，不能充分發揮搖臂殼體的性能，因此，隨著CAE技術的進步，對于搖臂殼體要采取相應的優化設計，在保證殼體的剛度及強度的同時，應減少搖臂殼體的材料使用，充分發揮搖臂殼體的性能，優化采煤機的結構。

3 結論

針對采煤機搖臂殼體零件，采用有限元分析的方式，對不同工況下的搖臂殼體的變形及應力分布情況進行仿真分析，結果表明在不同工況下的搖臂殼體變形量及應力值均較小，遠低于材料的許用應力。搖臂殼體的使用存在著材料的浪費，不能充分發揮搖臂殼體的性能。隨著CAE技術的進步，對于搖臂殼體要采取相應的優化設計，在保證殼體的剛度及強度的同時，可減少搖臂殼體的材料使用，充分發揮搖臂殼體的性能，優化采煤機的結構，從而提高采煤機的性能。