薄煤層采煤機搖臂優化分析

陳碩

摘 要：懸臂是采煤機重要的結構部件，懸臂能否高效工作直接關系到采煤機的工作效率。文中在對采煤機懸臂受力分析的基礎之上，采用數值模擬軟件對懸臂的運行結構進行仿真分析，對懸臂殼體厚度以及肋板的高度等進行優化，優化后的懸臂受力更為均衡，搖臂的質量有所降低。

關鍵詞：采煤機;搖臂;優化分析

煤礦井下采煤機搖臂主要結構部件有減速箱、搖臂殼體以及截割電機等部分。搖臂是保證采煤機正工作運行的關鍵結構件，通過插銷與采煤機機身進行連接。在薄煤層回采工作面，采用的大功率采煤機需要采用更長的搖臂，以及直徑更大的割煤滾筒。采煤機正常作業時，搖臂的傳動件如軸承、殼體等都需要承受較大的作用力，同時為了配合割煤需要，搖臂需要頻繁的上下移動，搖臂的疲勞損壞程度增加，設備的故障率較高。搖臂的出現故障跟采煤機受力、震動等都有關聯。因此，可以從動力學以及結構分析角度出發，對搖臂的受力薄弱位置及部件面，對搖臂動態特性進行分析，提升搖臂經濟性及穩定性。

1 采煤機搖臂受力分析

在采煤機正常工作狀態下，煤巖體分布不均衡，采煤機受到的作用力不均衡。但是無論采煤機截割滾筒受到的作用力較為復雜，最終作用力都會傳遞到采煤機搖臂之上。正常情況下，采煤機滾筒受力有6個作用分量，在三個坐標軸上產生分量，同時繞著三個方向上出現扭矩。通過對搖臂受力進行分析，考慮到搖臂載荷，即搖臂、滾筒重量、截割滾筒受到阻力、滾筒受力。

搖臂工作狀態下的工作阻力可以從電機的阻力距計算取得，電機受到的載荷與供電電壓、電流大小成正比，因此，只需要確定電機電壓值以及電流值就可以計算取得采煤機截割滾筒受到的力矩。滾筒在工作時截割阻力主要來至于滾筒上的截割齒輪，受到的作用力方向垂直于滾筒運動方向。滾筒截割時受到的阻力可以采用下式進行計算：

其中，K表示滾筒周邊受力修正系數，取值為0.8;NH表示為截割電機的功率（kW）;?表示截割部傳動效率;n表示滾筒的運轉速度（r/min）;Dc表示滾筒直徑（mm）。

對懸壁的軸向受力進行簡化分析，主要分析滾筒傾斜截割齒輪受到的側向應力以及滾筒葉片齒輪側向力。前者受力方向主要向采空區，后者主要向采煤機推進方向。采煤機滾筒葉片齒輪布置形式設定為棋盤式，滾筒受到的軸向應力值為：

其中，PZ表示滾筒工作時受到的阻力;LK表示滾筒截割深度（m），K2表示滾筒截割條件系數，一般取值為2;J表示滾筒有效截割深度，（m）

2 采煤機搖臂受力分析

文中以J71A型薄煤層采煤機為例，采用CREO2.0軟件建立搖臂三維模型，并添加相應的載荷，以便獲取采煤機懸臂在不同工況條件下的受力情況。建立的三維仿真模型如圖1所示。

通過對比分，產生的應力以及位移的最大值表現規律較為接近。懸臂結構受到的負載變化情況與實現中采煤機懸臂受到的載荷變化相仿。懸臂的等特效應力以及等效位移在接近30s時間時出現最大值，最大的載荷達到220MPa，遠超過懸臂使用材料的極限強度。主要針對上述情況進行優化。

3 采煤機懸臂優化

通過對采煤機懸臂的受力分析模擬仿真得知，懸臂出現應力集中部位主要有兩處位置，一處是懸臂的殼體直齒傳動部分，一處是驅動電機外部殼體肋板。因此，對懸臂的優化主要是針對上述兩處位置進行。將懸臂厚度定義為ds-xbhd，箱體厚度定義為ds-xthd，肋板的高度定義為ds-lbgd。選用的優化數值有一定的取值范圍，設定的值過大或者過小都不利對懸臂結構分析。具體設計變量值與目標變量值如表1所示。

在具體設計參數時的取值范圍有上下10%的波動，系統會根據設定值的變化自動生成29個樣本數據值。在對懸臂進行優化分析時，先需要進行響應分析。通過進行動態的變量的輸入，分析輸入的動態變量對輸出變量的影響，為具體的懸臂優化提供數據支撐。

3.1 懸臂目標驅動優化

通過對懸臂進行優化分析，對不同輸入以及輸出的數據組合，尋求最佳的優化組合方案，對比分析懸臂受到的最大應力值，主要結論為：對懸臂優化之后的懸臂自身的質量、最大等效位移未出現較大的變化，懸臂的最大等效應力受到顯著影響。對懸臂進行優化的一個重要方面是在降低最大等效應力前提之下對懸臂的質量進行優化。

3.2 懸臂優化結果分析

懸臂最大應力在優化前后都主要發生在懸臂驅動電機肋板出，主要的區別在于優化之后肋板的應力分布更為均衡。肋板上的應力從優化之前的152MPa降低到優化之后的131MPa，降低幅度達到14%，優化效果較為明顯，具體的各個選取參數優化前后的對比數據如表2所示。

4 結語

搖臂作為采煤機的重要結構部件，對采煤機的正常工作運行起著重要的作用。微課更好的促進薄煤層采煤機搖臂結構穩定，采用迷你軟件對搖臂進行三維結構仿真以及優化，優化后，懸臂的結構受力更為合理，優化后懸臂的最大應力降低到131MPa，重量降低到6367kg，降低了2.3%。優化后的懸臂重量更輕，受力更為合理，優化效果較為明顯。

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