基于有限元法的采煤機搖臂受力分析及結構優化

鄭寶峰

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

引言

采煤機是煤礦開采中最為關鍵的機械裝備，為了盡量提升煤礦開采效率，對采煤機的功率要求也越來越高[1-2]。搖臂結構是采煤機中的重要工作部件，截割頭對煤巖進行截割時，產生的作用力需要通過搖臂傳遞到底座[3]。所以搖臂服役時會承受較大的載荷，偶爾還會承受沖擊性載荷，對結構件的綜合性能提出了較高的要求[4]。如何提升搖臂結構的運行可靠性，從而保障采煤機的運行穩定性，是需要重點考慮的問題[5]。本文利用有限元方法對搖臂結構工作時的受力情況進行分析，并對結構進行優化改進，取得了良好的效果。

1 搖臂有限元模型的建立

1.1 三維模型建立

以MG200 型采煤機為研究對象，首先利用Pro/E軟件根據該型號采煤機搖臂結構的實際尺寸建立對應的三維幾何模型。需要說明的是，建模中為了提升模型計算速度，確保模型計算過程的收斂性，需要對一些細小結構，比如倒角、倒圓等忽略處理[6]。完成幾何模型建立工作后，將其導出為“igs”格式，以便導入到Ansys 軟件中進行有限元模型的建立。

1.2 有限元模型建立

在Ansys 軟件中導入幾何模型后，首先需要對網格進行劃分，劃分質量會對計算過程和結果精度都產生直接影響。Ansys 軟件中有多種類型的單元形式可供選擇，本案例中將單元類型設置為四面體網格。為了得到最優的網格數量，由軟件自動確定單元尺寸，最終劃分得到的單元數量和節點數量分別為15 324個和17 329 個。采煤機搖臂結構的加工制作材料通常為Q345，因此需要在有限元模型中設置該材料的基本物理屬性。Q345 的楊氏模量和泊松比分別為210 GPa 和0.3，材料的密度為7 850 kg/m3。為了分析不同工況條件下搖臂的受力情況，本案例中共設置4種不同工況，分別設置搖臂與水平面之間的夾角為-20°、0°、20°和55°。

2 搖臂受力分析結果

2.1 受力結果

完成有限元模型的分析計算工作以后，可以通過后處理程序對搖臂的受力情況進行提取分析，本案例中只對搖臂的位移變形和等效應力情況進行研究，如圖1 所示為搖臂與水平面呈不同角度時對應的最大位移值和最大等效應力情況，圖中還顯示了θ 為55°時搖臂的等效應力分布云圖。由應力分布云圖可知，搖臂結構工作時受力呈現出顯著的不均勻性，部分區域的應力相對較小，部分區域的應力相對較大，甚至局部位置出現了一定的應力集中現象。應力集中區域主要為齒輪箱殼體與電動機腔體連接的筋板處。其他工況條件下搖臂的受力分布情況基本類似，只是最大應力值不同而已。

由圖1 可知，隨著搖臂與水平面角度θ 的不斷增加，搖臂的最大位移值和最大等效應力均隨之不斷增加。在研究的4 種工況條件下，當θ 為55°時最為惡劣，最大位移值和最大等效應力分別為4.27 mm 和155.6 MPa。

圖1 不同工況時搖臂的最大位移和最大等效應力

2.2 存在的問題

采煤機搖臂外部殼體結構利用Q345 材料加工制作而成，該材料的屈服強度為345 MPa。理論而言，只要搖臂殼體的最大應力不超過屈服強度就能保證材料運行的可靠性。但在機械工程中，為了提升普通結構件服役的穩定性和可靠性，通常會設置安全系數為1.5。考慮到采煤機搖臂的重要性，及其服役環境的復雜性，工作時經常承受沖擊性載荷，因此需要將安全系數設置為2.5。基于此，可以計算得到搖臂外殼的許用應力為138 MPa。對比搖臂不同工況條件下的最大等效應力可以看出，當θ 為55°時搖臂外殼的最大應力超過了材料的許用應力，處于危險狀態，其他工況條件下搖臂外殼的最大等效應力均沒有超過材料的許用應力，均處于安全狀態。

3 搖臂的結構優化研究

3.1 優化改進思路

基于有限元分析結果可知，當搖臂與水平面呈55°時，搖臂外殼結構出現了明顯的應力集中現象，且超過了材料的許用應力值，存在一定的風險。針對該問題，可以對出現應力集中現象的筋板部位進行結構優化改進。如圖2 所示為搖臂結構優化對象示意圖，可以看出，共設置了3 個優化對象，分別為壁厚X1、箱體厚X2 和筋板高度X3，以上3 個結構參數的初始值分別為70 mm、70 mm 和309 mm。考慮到MG200 型采煤機已經成型，對搖臂進行結構優化時，需要考慮優化改進對其他結構造成的潛在影響，因此不宜做過多的改動，要求3 個優化對象的調整量不超過原結構尺寸的10%。優化改進的目標是確保搖臂外殼結構的最大應力低于材料的許用應力，同時盡可能降低結構件的總體質量。

圖2 搖臂結構優化對象示意圖

優化改進工作仍然利用Ansys 軟件完成，軟件會在上述3 個結構參數的取值范圍內自動生成一系列組合，并根據組合結果重新建立有限元模型進行分析。由于搖臂與水平面呈55°時為危險工況，所以在開展優化工作時以此工況為準。將所有模型的計算結果進行對比，最大應力和總體重量最小的視為最優結果。

3.2 優化結果分析

完成優化改進工作后，確定的壁厚X1、箱體厚X2 和筋板高度X3 結果分別為67.49 mm、63.14 mm和425.68 mm，前兩個參數與初始尺寸相比較分別降低了2.51 mm 和6.86 mm，后一個參數與初始尺寸相比增加了116.68 mm。如圖3 所示為搖臂優化前后最大位移和最大應力對比情況。由圖3 可知，優化后的搖臂結構與優化前相比較，最大位移和最大等效應力分別降低了0.973 mm 和24.83 MPa。最重要的是優化后的搖臂結構最大應力為130.77 MPa，低于Q345 材料的許用應力，能有效保障結構件運行過程的可靠性。另外，優化后的結構件整體質量出現了一定程度的降低，從優化前的6 517.1 kg 降低到了優化后的6 379.8 kg，降低幅度為137.3 kg。質量的降低能在一定程度上降低結構件的加工制作成本。

圖3 搖臂優化前后最大位移和最大應力對比情況

3.3 應用效果分析

根據提出的搖臂結構優化改進方案，將其應用到采煤機工程實踐中，經現場調試無誤后正式投入使用。目前優化后的搖臂結構已在工程中應用時間超過6 個月。據現場人員反饋，搖臂整體運行良好，使用期間沒有出現明顯的故障問題。由于服役過程中搖臂外殼結構應力集中現象得到很好的緩解，所以其使用壽命出現一定程度的提升，初步統計認為搖臂外殼結構的使用壽命能提升15%以上，為采煤機的穩定可靠運行奠定了堅實的基礎。

4 結語

以MG200 型采煤機的搖臂為研究對象，基于Pro/E 和Ansys 軟件對其受力情況進行分析，并對結構進行優化改進。所得結論主要有：通過分析不同工況條件下搖臂的最大位移和最大等效應力，發現當搖臂與水平面呈55°時，搖臂外殼的最大應力超過了材料的許用應力，存在很大危險；對出現應力集中部位的結構尺寸進行優化改進，使得相同工況條件下搖臂的最大位移和最大等效應力均出現了一定程度的降低，特別是最大應力降低到了材料的許用應力范圍以內；將優化后的搖臂部署到采煤機工程實踐中，經過現場應用發現效果良好，不僅降低了結構的加工制作成本，還提升了其服役使用壽命。