鉆式采煤機傳動箱體的結構有限元分析

陸 寅

(天地科技股份有限公司 上海分公司，上海 200030)

0 引言

我國是以煤炭作為主要能源的國家，極薄煤層與不規則煤層在全國各大礦區均有儲量，受開采條件限制，該煤層未能得到有效開采。鉆式采煤機為極薄煤層、邊角煤、不規則煤層及保安煤柱等開采提供了一種機動靈活、安全、可靠的開采方法，提高了資源回收率，延長礦井開采年限，保證老礦區的持續發展。但鉆式采煤機的設計水平與中厚及厚煤層采煤機的技術水平還有很大差距[1-2]。鉆式采煤機在井下的工作條件惡劣，加之薄煤層地質條件對鉆式采煤機的機身高度有限制作用，以往依靠加大設計安全系數來提高采煤機的可靠性在薄煤層采煤機設計中已經不再適用。由于鉆式采煤機傳動箱體長時間受到非均勻的振動載荷，其在應用過程中經常出現損壞現象。因此，利用現代設計方法對鉆式采煤機傳動箱體進行設計校核顯得尤為重要。本文利用有限元法對其結構強度校核，并對箱體的應力、位移狀態進行分析，以期為鉆式采煤機傳動箱體的設計改進提供依據。

1 ABAQUS軟件簡介

ABAQUS軟件是由法國達索公司基于有限元理論開發的一個功能強大的數值分析包。該軟件不僅可以分析簡單的線性問題，還可以對材料非線性、幾何非線性等復雜的問題進行模擬仿真。ABAQUS軟件的單元庫提供了各種各樣的單元，如一維桿單元，二維平面單元以及三維多面體單元，以適應不同結構模型的網格劃分。軟件還提供了從簡單的非線性材料模型，復雜至適用于巖土分析的各項異性材料本構模型[3-4]。近年來，ABAQUS軟件日趨完善，提供了諸如歐-拉耦合方法、光滑粒子動力學法等模擬大變形問題。

2 有限元分析前處理

2.1 傳動箱體參數化建模

利用參數化建模軟件Pro/E建立了鉆式采煤機傳動箱體的三維模型，如圖1所示。然后在Pro/E工作環境中將傳動箱體三維模型轉化成標準的可交換數據，如iges、sat等，進而導入到ABAQUS工作環境中進行網格劃分[5]。

圖1 傳動箱體幾何模型

鑒于傳動箱體是完全對稱結構，為減少計算機運算量，本文僅對箱體的一半模型進行分析。ABAQUS軟件提供多種網格劃分技術包括:結構化網格、掃掠網格、自由網格，為了減少計算機的運算時間，本文同時采用了結構化網格技術和掃掠網格劃分技術，最終劃分出的網格單元均為6面體實體單元，傳動箱體的網格劃分結果如圖2所示。

圖2 網格劃分模型

2.2 材料模型

鉆式采煤機傳動箱體一般為焊接件，采用的材料為Q235鋼，其彈性模量為210GPa，密度為7800kg/m3，泊松比為0.3，屈服極限為235MPa。為了能夠準確分析傳動箱體的應力狀況，使用理想的彈塑性材料本構模型來表征Q235材料的實際力學性能，其本構模型如圖3所示。

2.3 載荷與邊界條件

鉆式采煤機截割煤巖是一個具有高度非線性且間斷沖擊的動力學行為，其截割機構，即鉆頭的受力比較復雜，進而導致與其相連接的傳動箱體載荷也無法精確計算。以某一型號鉆式采煤機為例，根據機械設計理論對傳動箱體軸承座載荷計算(計算方法可參考機械設計手冊，本文不再贅述)，結果如表1所示，圖4為箱體載荷位置示意圖，其與圖1對應。軸承承受的力均勻分布在軸承座的半圓上，半圓位置由軸承所受到的力決定。傳動箱體的邊界條件為:在面1和面2施加完全約束，在面3施加對稱約束。

表1 傳動箱體的載荷

3 分析結果

有限元模型的后處理一般包括:觀察分析單元應力、位移以及時間歷程曲線等。鉆式采煤機傳動箱體的應力分布云圖如圖5所示，從圖中可見傳動箱體的最大等效應力為27.9MPa，出現在C1所施加的載荷處，主要是該處的等效均布載荷較其它位置大引起的。根據有限元計算結果和材料的屈服強度，可以得出鉆式采煤機傳動箱體的設計安全系數為8.4。根據礦山機械的設計經驗，一般重型礦山機械的設計安全系數要不小于6，故本文設計的傳動箱體結構滿足設計要求，但安全系數偏大造成材料浪費，所以在改進設計中應稍微降低設計安全系數以節約材料。

圖5 傳動箱體應力云圖

鉆式采煤機傳動箱體的位移云圖如圖6所示，從圖中可見傳動箱體的最大位移為0.078mm，最大值位于D1、D2以及傳動箱體的中部，其滿足機械設計要求。但由于鉆式采煤機傳動箱體內安裝的齒輪需要較高的嚙合精度，理想情況下傳動箱體變形量應極小。所以，在箱體改進設計中應該在箱體中部適當的增加數個筋板，以提高傳動箱體中部的整體剛度，進而提高箱體內齒輪傳動的精度，降低鉆式采煤機傳動箱損壞的概率。由以上分析可知，鉆式采煤機傳動箱體的強度和變形都符合機械設計要求，但安全系數稍大，在今后改進設計中應適當減小傳動箱體設計安全系數以降低鋼材的使用量。傳動箱體微小的變形可能導致箱體內齒輪嚙合精度不夠，進而使整個傳動箱體傳動系統失效，故在改進設計中應提高箱體的整體剛度以降低箱體變形量，進而提高齒輪傳動精度和使用壽命。

圖6 傳動箱體位移云圖

4 結論

(1)在理想彈塑性模型基礎上，利用有限元法對鉆式采煤機傳動箱體進行有強度和變形分析，得到了傳動箱體不同位置的應力和變形大小，可以直觀的查看傳動箱體的應力狀態，對傳動箱體的設計有一定指導作用。

(2)根據有限元強度校核結果，鉆式采煤機傳動箱體的設計安全系數稍微偏大，在進一步改進設計中可以適當的降低安全系數以節約鋼材。在改進設計中應在箱體中部增設筋板以提高箱體的整體剛度，進而提高齒輪嚙合精度和降低傳動箱損壞的概率。

[1]張欣，張樞.薄煤層采煤機的發展狀況及趨勢[J].煤礦機械，2002，6:7-8.

[2]付林，杜長龍，劉送永.鉆式采煤機新型工作機構的研究[J].煤礦機械，2010，31(2):111-113.

[3]李嘉鵬.薄煤層采煤機截割部行星架有限元分析，2011，4.

[4]趙騰倫.ABAQUS6.6在機械工程中的應用[M].中國水利水電出版社，2007.5.

[5]單泉，陳硯，汪殿龍.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 中文版參數化設計從入門到精通[M].北京:機械工業出版社.