采煤機內齒圈與搖臂連接組件強度分析與改進

盧閆滿

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

引言

我國煤炭資源儲量豐富，分布較為分散，因地質條件差異，各地的煤層硬度厚度等存在較大的差異[1]。采煤機內齒圈與搖臂連接組件作為采煤機掘進工作的重要結構[2-3]，直接關系著采煤機工作以及企業的產能和效率，得到了煤炭行業的廣泛關注[4]。內齒圈與搖臂連接組件結構較為復雜，傳統設計計算工作繁重，周期較長，但隨著計算機技術的發展，計算機仿真技術應運而生，并在結構設計優化領域得到了較為廣泛的應用，取得了很好的效果[5-6]。因此，針對某型號采煤機截割較硬煤層時內齒圈與搖臂連接組件經常出現故障的問題，借助ANSYS 有限元仿真開展其強度分析。

1 采煤機內齒圈與搖臂連接組件分析

搖臂作為采煤機煤炭掘進工作功能實現的關鍵部件，其結構的設計不僅需要考慮底座連接結構，還需考慮截割滾筒結構，故而將其設計成分體式結構。常用的采煤機內齒圈與搖臂之間采用高強度螺栓連接，具體連接方法如下：內齒圈的連接端為法蘭結構，與搖臂殼體對應法蘭盤對接，通過22 個高強度普通螺栓連接在一起。因受到采煤機內齒圈和滾筒結構尺寸、安裝空間的限制，內齒圈連接端部法蘭位置的螺栓孔采用沉孔結構，節省螺栓連接空間，滿足采煤機整體結構連接的要求。

2 有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

采煤機內齒圈與搖臂連接組件連接采用了22支高強度螺栓，運用SolidWorks 三維軟件完成內齒圈與搖臂連接組件的模型建立。因內齒圈與搖臂連接組件實際模型較為復雜，為了提高仿真計算的效率，對內齒圈、螺栓進行了實際結構繪制，搖臂僅建立了其與內齒圈連接部分，同時將徑向定位套與搖臂殼體做成一體。

2.2 材料屬性設置與網格劃分

完成內齒圈與搖臂連接組件三維模型建立之后另存為.igs 格式文件導入ANSYS 仿真計算軟件進行材料屬性設置，具體設置參數如下：內齒圈材料牌號為42CrMo，屈服強度為930 MPa，計算許用應力為465 MPa；GB/T6190 普通螺栓剪切強度為400 MPa，計算許用應力為80 MPa；定位套材料牌號為ZG310-570，屈服強度為310 MPa，計算許用應力為155 MPa。選擇solid92 實體單元類型，采用自由劃分網格方法完成內齒圈與搖臂連接組件的網格劃分，結果如圖1 所示。

圖1 內齒圈與搖臂連接組件有限元分析模型

2.3 載荷及邊界條件處理

采煤機內齒圈與搖臂連接組件工作時的受力狀態較為復雜，本次仿真分析計算重點部位是連接組件之間的受力，僅對極限工作情況進行仿真分析。滾筒工作時的最大截割阻力約為50 kN，最大推進阻力約為40 kN，最大軸向力約為45 kN。內齒圈輸入的行星輪扭矩約為2 500 N·m。基于上述載荷數據，在ANSYS 仿真計算軟件中進行載荷施加。相鄰搖臂實體之間的連接面設置為固定約束，各個組件之間設置為接觸對，摩擦系數設置為0.3。

2.4 仿真結果

完成內齒圈與搖臂連接組件有限元仿真分析前處理工作即可啟動ANSYS 仿真計算軟件自帶求解器進行仿真計算，提取各個組成部件的仿真計算結果，如圖2、圖3、圖4 所示，分別為空心軸套、連接法蘭和螺栓極端工況下的應力分布云圖。由圖2 和圖3 可以看出，空心軸套和連接法蘭的最大工作應力均為95.8 MPa，位置出現在螺栓孔的邊緣位置，相較于空心軸套材料的許用應力155 MPa 較小，具有足夠的安全裕度。

圖2 空心軸套應力（Pa）分布云圖

圖3 連接法蘭應力（Pa）分布云圖

圖4 連接螺栓應力（Pa）分布云圖

由圖4 連接螺栓組的應力分布云圖可以看出，連接螺栓工作過程中所受的最大應力值為107 MPa，在空心軸套和連接法蘭出現最大應力的位置，相較于GB/T 6190—1986 下的普通螺栓材料的許用應力80 MPa，實際工作時螺栓承受的最大應力超出了27 MPa，存在明顯的強度不足問題，使用過程中極易出現螺栓剪斷或者斷裂情況，造成嚴重的事故。因此，對螺栓尺寸與材料進行優化改進，以便提高內齒圈與搖臂連接組件的螺栓強度，提高采煤機工作的可靠性。

3 改進設計

3.1 改進方法

實際工程應用過程中出現連接螺栓強度不足的問題時改進方法通常包括以下幾種：第一是增大原材質螺栓的直徑，提高其抗拉強度，進而保證連接組件之間足夠的正壓力；第二是保持原螺栓尺寸，選擇材料更好的螺栓，以便提高連接螺栓的整體力學性能；第三是增加原有連接螺栓的個數，以便降低單個連接螺栓的工作載荷，確保各個連接螺栓的工作安全。考慮連接螺栓改進對于內齒圈與搖臂連接組件整體結構的影響程度，此處選擇第二種改進方法，保持原螺栓尺寸不變，選擇力學性能更好的螺栓組。參照GB/T 6191—1986，重新確定了連接螺栓，材料的屈服強度為830 MPa，計算許用應力為166 MPa，基于上述仿真分析結果，該螺栓足以滿足內齒圈與搖臂連接組件可靠工作的要求。

3.2 改進效果

在內齒圈與搖臂連接組件仿真計算結果的基礎上，重新選擇了性能更好的連接螺栓，以便提高連接組件的安全性。為了驗證更換螺栓之后的內齒圈與搖臂連接組件的工作性能，將其應用于某型號采煤機中，進行了為期半年的跟蹤記錄。應用結果表明，內齒圈與搖臂連接組件工作穩定可靠，未出現連接螺栓問題。相關統計結果顯示，相較于普通連接螺栓，采用高強度螺栓之后的內齒圈與搖臂連接組件故障率降低近12%，降低了日常維護維修工作量近6%，采煤機的有效工作時間提高近10%，預計為企業新增經濟效益近100 萬元/年，取得了很好的改進效果。

4 結語

1）內齒圈與搖臂連接組件經常出現故障的原因是連接螺栓強度不足。

2）通過更換力學性能，將螺栓的對內齒圈與搖臂連接組件進行改進后，內齒圈與搖臂連接組件運行穩定可靠，解決了經常出現故障的問題。