基于ANSYS軟件的采煤機搖臂受力仿真分析

解 喃

（山西凌志達煤業有限公司，山西 長治 046000）

引言

采煤機作為我國煤炭開采的重要設備，在復雜地質條件下進行作業時，常常出現采煤機搖臂斷裂、滾筒截齒折斷及中部槽疲勞斷裂等事故，這無疑會影響采煤機的工作性能，為了解決采煤機易發生故障的問題，此前眾多學者對采煤機部件優化進行過一定的研究[1-2]，陳文偉[3]以MG900/2400采煤機為背景，利用ANSYS數值模擬軟件對搖臂傳動系統中的齒輪及搖臂殼體受力進行仿真分析，為采煤機搖臂結構優化提供一定的參考。楊旭瞳[4]利用模擬軟件對采煤機搖臂進行力學分析，通過ANSYS軟件給出了采煤機搖臂的優化方案，為采煤機搖臂傳動穩定性的提升打下基礎。因此，利用數值模擬軟件對采煤機搖臂的受力及穩定性進行研究。

1 搖臂殼體應力分析

采煤機搖臂主要作用是將電動機的力傳遞到滾筒，完成滾筒截割煤壁的任務，一般來說采煤機的功率消耗約8成以上是截割部作功，所以提升搖臂性能可有效提升采煤機工作效率。采煤機的搖臂主要組成部件有截割電機、搖臂殼體及搖臂齒輪減速箱等，本文選定采煤機型號為MG500/1130-AWD，采煤機搖臂通過鉸軸和牽引部連接，同時通過油缸的伸縮實現搖臂的升降。

目前對采煤機設計常見的分析軟件為ANSYS模擬軟件，軟件具有強大的后處理能力，其可以較好的與CAD軟件進行銜接，可有效降低模型建立的周期。同時ANSYS數值模擬軟件具有強大的網格處理能力、耦合場求解及兼容性強等優點，因此本文的模擬研究軟件選擇ANSYS軟件。

在進行模擬計算前需要對三維模型進行一定的簡化，對結構中的圓角、倒角及小孔進行簡化，同時忽略焊接縫對模擬精度的影響。首先對搖臂的殼體進行模型建立，采煤機搖臂殼體是最容易出現損壞的部件，在進行殼體建立時需要在滿足強度要求的同時降低其重量，以此來達到降本增效的目的。本文在solidworks軟件中先建好殼體模型，后導入至ANSYS模擬軟件中，對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時充分考慮計算精度及計算效率，選定自由網格劃分的方式，網格類型分為兩種，分別為SOLID45和SOLID92，對模型的物理參數進行設定，材料的密度為7.91 kg/m3、泊松比為0.27、材料的彈性模量為2.2×1011Pa，同時對模型的約束進行設置，限制模型耳座孔處的X、Y、Z向移動及軸向轉動。首先對不同工況下的搖臂殼體應力分布情況進行分析。應力云圖如下頁圖1所示。

從下頁圖1可以看出，當搖臂擺角0°，煤層傾角30°時，此時搖臂殼體應力最大值出現在搖臂耳座孔處附近，此時的應力最大值為96 MPa，同時在殼體的頭部位置受到的應力值也明顯較大。當搖臂擺角42°，煤層傾角30°時，應力最大值仍出現在二軸、三軸的安裝孔附近，此時的應力最大值為122 MPa。當搖臂擺角0°，煤層傾角30°斜進刀時，此時的應力最大值出現的位置僅持續愛你在二軸安裝孔處，此時的應力最大值為123 MPa。當搖臂擺角18°，煤層傾角0°時，在此工況下應力最大值出現的位置與以上工況幾乎無差，同時在此工況下的搖臂殼體最大應力值最小。通過以上分析可以得出四種工況下搖臂的應力值均小于材料的許用應力值，所以在進行殼體的設計時，可以適當降低結構的尺寸，以達到節省材料，提升效率的目的。

2 搖臂二軸應力分析

對采煤機搖臂二軸進行應力模擬分析，同樣采用相似的方式進行模型導入，模型的網格劃分選定為SOLID45單元，對模型的物理參數進行設定，材料的密度為7.91 kg/m3、泊松比為0.27、材料的彈性模量為2.2×1011Pa，同樣限制二軸在XYZ平面上的移動及轉動，計算結果如圖2所示。

圖1 不同工況下搖臂殼體應力（Pa）云圖

從圖2二軸應力分布云圖可以看出，二軸的應力最大值出現在軸齒齒根的位置，分別對二軸軸齒輪和齒輪進行應力加載后得到的最大應力值分別為56.4 MPa和139 MPa，可以看出結構的剛度對于二軸的應力分布及應力值有著較大的影響，所以在對二軸進行優化設計時需要充分考慮結構的剛度，避免出現類似問題。

圖2 二軸應力（Pa）分布云圖

通過對搖臂殼體及二軸的模擬分析，發現搖臂殼體的應力最大值小于材料的許用強度，所以可以適當降低搖臂的尺寸，而二軸由于受到周期性的應力作用，易出現疲勞損傷，所以要適當增大材料的強度，提升材料的剛度。

采煤機在工作過程中，在巨大載荷作用下極易發生共振及扭轉振動等現象，所以在進行搖臂設計時不僅需要考慮強度及剛度同時也要考慮振動，對搖臂進行動力學模擬，建模過程和應力分析類似，通過對模態階數進行設定，進行求解，本文只展示3、7階模態下的應力圖如下頁圖3所示。

由模擬結果可知：結構在1、2階模態下的固有頻率為0，此時結構不發生扭轉及彎曲，當結構在3-6階模態下時，此時的固有頻率值較1，2階模態固有頻率有了一定的增大，但增大的幅度較小，此時的結構的運動大致呈現為平動及剛體轉動，并沒有彎曲及扭轉現象出現，當結構進入7階模態時，此時的固有頻率增大至185 Hz，此時的固有頻率遠大于搖臂的工作頻率，采煤機在運行過程中不會出現因為共振而產生的損壞情況。

圖3 不同模態下等效應力（Pa）云圖

同樣對二軸進行分析，結果發現結構在1-6階模態下的固有頻率均較小，幾乎可以忽略不計，結構的運動同樣只呈現為平動及剛體轉動，無彎曲及扭轉現象出現，當結構進入7階模態時，固有頻率遠大于搖臂的工作頻率，但由于振動產生的應力值遠小于材料的許用應力，所以采煤機在運行過程中不會出現因為共振而產生的損壞情況。

3 結論

1）利用數值模擬分析可以得出四種工況下搖臂的應力值均小于材料的許用應力值，所以在進行殼體的設計時，可以適當降低結構的尺寸，以達到節省材料的目的。

2）利用數值模擬軟件對齒軸及齒輪分別進行模擬分析發現，最大應力值差別較大，所以在提升強度的同時，應當適當提升剛度。

3）通過對不同階模態下搖臂殼體及二軸進行分析發現，采煤機在運行過程中不會出現因為共振而產生的損壞情況。