采煤機可靠性有限元分析

張艷軍，雷美榮

（山西大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037003）

采煤機可靠性有限元分析

張艷軍，雷美榮

（山西大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037003）

針對大同礦區的“煤層硬，頂板硬”，6m以上的特厚煤層儲量豐富的特點，設計研制了大采高電牽引滾筒采煤機，為驗證該采煤機的安全性和可靠性，采用虛擬樣機技術對其關鍵零部件和整機進行三維建模，并對其進行有限元分析，分析結果表明該采煤機結構合理，工作穩定可靠，為大采高采煤機結構的設計提供了理論依據。

采煤機；有限元；可靠性

隨著采煤工業化的發展,大規模綜采已經成為現代煤炭行業發展的一個趨勢,而大規模綜采必須以采煤機為基礎[1]。針對大同礦區“煤層硬,頂板硬”、6m以上特厚煤層儲量豐富的特點,大采高電牽引滾筒采煤機隨之研制開發[2]。采煤機的功能越來越多,其自身的組成越來越復雜,因而發生故障的原因也隨之復雜,如搖臂表面出現裂紋、牽引箱體行走齒輪發生斷裂、行星架破壞等諸多問題。

為此,驗證該采煤機的安全性和可靠性至關重要。虛擬樣機技術是近些年來設計與分析產品的一項新技術,該技術采用有限元分析的方法來分析采煤機的可靠性與安全性,是對采煤機設計和工業性試驗的一個重要補充,可以通過較少的代價獲取采煤機設計和分析的理論依據。

1 采煤機關鍵零部件有限元分析

1.1 采煤機搖臂的有限元分析

圖1 搖臂三維模型圖

運用SOLIDWORKS軟件對采煤機搖臂建立三維實體模型,如圖1。然后采用自由網格進行網格劃分,由于采煤機搖臂模型比較大,為了提高計算效率,采用高配置計算機,對于網格尺寸比較大的部位,進行網格細化,使得網格劃分合理，得到四面體單元網格，見圖2。

圖2 搖臂劃分網格圖

然后將搖臂模型以igs形式導入ANSYS軟件中,定義材料為鑄鋼,彈性模量設為2.1e+11,泊松比為0.27。最后加載,搖臂所受的極限荷載為Fx＝1 000 KN,Fy＝250 KN,Fz＝800 KN。滾滾筒具有一定質量,因此不能忽略,其重力根據實際情況添加在搖臂與滾筒的連接處，求解結果，見圖3，圖4。

圖3 搖臂應力分布云圖

有限元分析結果如圖3，圖4所示,由圖3知,支撐耳處最大應力達到150 Mpa左右,行星頭處最大應力也達到了140 Mpa左右,在搖臂殼體上最大孔處出現最大應力188 Mpa,在表面狀改變比較大的地方,應力也很大,達到了170 Mpa左右,由材料力學知,這些部位應力集中程度比較高,應力應該比較大,和有限元分析結果一致。最大應力是小于材料屈服強度的,因此搖臂設計是合理的。

圖4 搖臂位移分布云圖

由圖4知,搖臂最大位移處在搖臂的行星頭處,最大位移為5mm,符合設計要求。

1.2 采煤機滾筒有限元分析

圖5 滾筒三維模型圖

圖6 滾筒網格劃分圖

圖7 滾筒應力分布云圖

由圖7知：滾筒的最大應力為751 MPa,低于滾筒材料的許用應力,最大應力分布在葉輪和滾筒相接處,符合實際情況,其他地方應力均在85 MPa左右。

1.3 采煤機齒軌輪有限元分析

采煤機齒軌輪破壞是采煤機常見故障。牽引電機通過減速機構,把動力傳給齒軌輪,齒軌輪再與輸送機上齒排嚙合,提供采煤機前進的動力。可見,齒軌輪作為一個關鍵零部件,負載很重,對齒軌輪進行有限元分析是很有必要的。

用SOLIDWORKS建立齒軌輪有限元最終模型，見圖8。然后定義材料屬性,材料的彈性模量為2.1e+11,泊松比為0.27,然后進行網格劃分,網格化后節點總數為321 601,單元總數為180 786,得到網格模型圖，見圖9。齒輪上的扭矩為35 9491 N·m,對軸向、徑向移動進行約束,最后進行求解,求解結果見圖10。

圖8 齒輪三維模型圖

圖9 齒輪網格模型圖

圖10 齒輪應力分布云圖

結果顯示：齒輪的最大應力為845MPa,低于齒輪材料的許用應力,最大應力分布在齒輪嚙合處。

1.3 采煤機行星架有限元分析

用SOLIDWORKS建立行星架有限元最終模型，見圖11。然后定義材料屬性,材料的彈性模量為2.1e+11,泊松比為0.27,然后進行網格劃分,網格化后節點總數為423 601,單元總數為220 981,得到網格模型圖，見圖12。行星架孔內表面設定為圓柱約束,并對軸向、徑向移動進行約束,最后進行求解,求解結果，見圖13。

圖11 行星架三維模型圖

圖12 行星架網格劃分圖

圖13 行星架應力分布云圖

結果顯示：行星架的最大應力為3.72 MPa,低于行星架材料的許用應力,最大應力分布在孔內壁處,其他地方應力均在0.172MPa左右。

2 采煤機整機有限元分析

采煤機整機由截割部,牽引部,行走部,中間框架等幾個大部分構成。首先分別對幾大部分進行建模裝配,然后再把組件裝配成整機,達到整機建模的目的。用SOLIDWORKS建立采煤機的各零部件模型,然后進行裝配得到的裝配體,即采煤機整機三維模型圖,見圖14。然后進行網格劃分,得到采煤機整機網格劃分圖,見圖15。加載進行求解,得到采煤機整機應力分布云圖,見圖16。

圖14 采煤機整機三維模型圖

圖15 采煤機整機網格劃分圖

圖16 采煤機整機應力分布云圖

結果顯示采煤機各處應力分布均勻,最大應力不超過117.8 MPa,滿足強度要求。

3 結論

采用虛擬樣機技術,對采煤機關鍵零部件及整機進行有限元分析,得到搖臂、滾筒、齒軌輪、行星架及采煤機整機的應力云圖或位移云圖,結果顯示關鍵零部件及整機是滿足強度或剛度要求的,證明采煤機初始設計是合理的。

[1]廉自生,劉楷安.采煤機搖臂虛擬樣機及其動力學分析[J].煤炭學報，2005（6）：803-804.

[2]楊濤.大采高電牽引采煤機截割部虛擬樣機技術及關鍵零件的結構有限元分析[D].太原：太原理工大學，2009.

[3]趙麗娟,劉旭南,呂鐵亮.基于虛擬樣機技術的采煤機截割部可靠性研究[J].廣西大學學報，2010（5）：738-746.

[4]邵俊杰.采煤機數字化建模與關鍵零部件有限元分析[D].西安：西安科技大學，2009.

[5]劉送永.采煤機滾筒截割性能及截割系統動力學研究[D].西安：西安科技大學，2009.

[6]紀玉祥,張志鴻.基于虛擬樣機技術的采煤機仿真[J].現代制造工程，2008（3）：47-49.

[7]吳衛東,安興偉.基于ANSYS的采煤機搖臂的有限元分析[J].煤礦機械，2009（3）：77-79. [8]周娟利.采煤機截割部動力學仿真[D].西安：西安科技大學，2009.

〔責任編輯 石白云〕

Finite Element Analysis of the Reliability of CoalW inning Machine

Z HANG Yan-jun,L EI Mei-rong
（1.Schoo l of Coal Engineering,Shanxi Da t ong University，Da t ong Shan x i,037003）

In D atong coalmining hard coal,hard roof,the special thick coal seam which is 6 meters above is abundant,the company designs coalwinningmachine which is of largemining height,to testand verify the security and reliability of the shearer,its key parts and the wholemachine is 3D modeling and finite element analy zecl,the results show that the structure of the coal winning machine is reasonable,stable and reliable，which provides theory basis for structure design of the Coalwinningmachine.

coalwinningmachine；finite element；reliability

TD82

A

2013－08－08

張艷軍（1982－），男，山西朔州人，碩士，講師，研究方向：高速飛行器空氣動力學數值分析。

1674-0874（2013）05-0069-03