煤礦采煤機搖臂齒輪的優化設計與分析

呂知恒

（西山煤電斜溝礦， 山西 呂梁 033600）

引言

采煤機作為煤礦生產的重要基礎設備之一，其工作狀態與煤礦產量密切相關。采煤機搖臂齒輪是保證采煤機正常運行的重要零部件。國內已有不少的學者對采煤機搖臂齒輪進行過研究，戴玉龍、王翠華、賈安鵬等利用ANSYS Workbench 軟件對采煤機搖臂在實際開采過程中受力情況進行了有限元分析，通過研究指出了采煤機搖臂的缺陷，為搖臂的優化設計提供了重要的依據[1],楊健健等利用自主研發的黑匣子，詳細分析了截割和行走電機工作參數、搖臂調高油缸載荷特征、搖臂和滾筒振動特征，利用自動化技術為薄煤層開采提供了理論基礎[2]，劉群、王義亮、楊兆建運用ANSYS 分析軟件，分析了采煤機搖臂的固有頻率和振型，詳細分析了采煤機搖臂運行過程中的參數，揭示了采煤機截割部作業性能及其動力學特性變化規律，為采煤機搖臂的結構優化和運行特性分析提供了重要的參考[3]。劉曉輝、譚長均、陳俊鋒利用Solidworks 軟件，針對采煤機截割部在采煤過程中長期承受的載荷而產生共振的問題進行了研究，通過建立模型，在已有研究的基礎上，利用模態分析結果對采煤機在運行中的共振問題進行了討論，并采取適當的優化舉措，優化結果成功地解決了采煤機運行過程中的共振問題，研究為搖臂的進一步改進提供了重要的依據[4]。

本文結合國內眾多學者的研究，針對采煤機重要零件即搖臂以及齒輪在運行過程中出現的斷裂、疲勞、磨損等現實問題進行了分析與優化，研究得到可觀的結果，為后續實際工作中采煤機搖臂齒輪部件的創新改進提供了依據。

1 采煤機搖臂齒輪的運動學分析

煤礦的安全高效生產離不開人員的嚴格管理以及設備的高效正常運行。在煤礦系統的運行中，落煤、裝煤、運煤、頂板的支護工序間必須嚴格操作執行才能保證高效安全的生產。在落煤的過程中，采煤機是煤礦綜合機械化采煤的重要設備，因為其長期抗壓、耐高溫、強度大等優點而被廣泛使用。采煤機搖臂齒輪作為直接與煤壁接觸達到落煤效果的重要零件，因為其長期承受高速運作摩擦產生的高溫、煤礦不穩定的靜動壓力等各種復雜因素的影響，齒輪極容易造成磨損、運行強度下降、零件疲勞等各種損壞。為此分析了齒輪傳動系統的傳動比，在眾多的齒輪中，選取了具有代表性的z1 齒輪和z7 齒輪，如下頁圖1-1 和圖1-2 所示，隨著運轉次數的增加，齒輪的角速度總體呈上漲的趨勢，不論是z1 齒輪還是z7齒輪，當運行時間從0 增長到0.2 s 時，齒輪的角速度隨運行時間快速增長；當運行時間從0.2 s 上升到0.9 s 時，齒輪的角速度與運行次數呈正相關關系；運行時間達到0.9 s 至1.0 s 時，齒輪的角速度隨運行時間的增加緩慢增加；隨后齒輪的運行角速度逐漸穩定，趨于一個穩定的值。整個過程中，齒輪在1 s 后才會以相對恒定的角速度運轉，造成這一現象的主要原因是在設備啟動初期，行星齒輪的相對波動較大，又因為行星齒輪本身的傳動方式，所以齒輪會在1 s后才會趨于穩定，對于現場作業，在設備啟動初期，應該在設備穩定后再運行，否則容易造成采煤機齒輪的磨損甚至設備停歇，影響煤礦正常的生產。下頁圖1-3 和圖1-4 為一級行星齒輪和二級行星齒輪的角速度隨時間的關系圖。由圖可見，一級行星齒輪在1 s 前隨運行時間穩步增長，在1 s 后，角速度雖有較小的幅度，但是依舊趨于平穩。二級行星齒輪的穩步頻率較一級行星齒輪迅速，約在0.75 s 時，齒輪達到平穩狀態，但是在0.75 s 后，齒輪的角速度波動明顯，這與齒輪的傳動方式有關系。

利用STEP 函數，齒輪z1 的轉速為9 000 degree/s，齒輪z7 的轉速為4968，齒輪z1、z7 的仿真傳動比分別為1、1.81，理論計算得仿真比分別為1、1.82，誤差為0、0.55%，與實際情況基本相符。對于一級行星齒輪和二級行星齒輪，仿真傳動比分別為8.28、36.22，而理論傳動比為8.4、36.56，一級齒輪傳動和二級齒輪傳動的誤差分別為1.43%、0.93%，理論值與仿真值基本一致。

圖1 各級齒輪的轉速

通過仿真模擬，真實地反映了采煤機齒輪傳動的傳動比參數，這對采煤機齒輪的優化提供了重要的基礎數據理論支持。

2 采煤機搖臂的優化設計

上文對采煤機的搖臂齒輪進行了傳動比參數分析，采煤機搖臂作為采煤機滾筒的直接連接零件，對滾筒的運行起直接決定性作用，為了改善采煤機零件運行、設計等方面的不足，對采煤機搖臂進行了優化設計。

對于采煤機搖臂齒輪的優化設計就是改變優化零件的參數，使其達到在滿足設計要求的前提下用最少的費用投入實現最大限度的高效運行。本實驗利用Workbench 中提供的多目標優化設計模塊Ansys DesighXplorer，并結合CAD，對產品進行了參數優化設計。

本文的優化設計是在一定的約束條件下，運用數學非線性規劃方法對產品進行了優化設計，具體數學模型如下：

式中：F(X)是目標函數；X即設計變量；gi(x)是約束函數。

圖2 優化前后的等效應力（MPa）圖

模擬結果如圖2 所示，左側顯示條表示受力程度的大小，右側為搖臂模擬的等效應力圖，優化前后的搖臂等效應力圖，顯然可見優化前與優化后的應力分布較均勻，差別不明顯，在肋板處，優化后應力分布更均勻一些，效果比較明顯。優化前，試件的應力值并不完全在應力允許的范圍內，優化后，應力分布更均勻，應力值全部在許用應力允許的范圍內，優化前的最大等效應力為152.16 MPa，優化后的最大等效應力降低為130.77 MPa，降低了約15.95%，這對采煤機搖臂的改進非常有意義。

煤礦生產過程中，機械設備一直處于高效運作中，設備零件處于長期高溫高壓的狀態，很容易造成疲勞導致設備停止運行。傳統的采煤機搖臂因為其受力不均勻，在高應力的工作條件下，因受力不均勻極容易造成設備零件的損壞，從而導致正常生產停止。在數學模型的基礎上，模擬出了較為理想的搖臂等效應力圖，整個零件受力均勻避免了設備高速運轉過程中受力不在許用應力范圍造成的設備損壞。

3 結論

通過對采煤機搖臂齒輪的運動學分析以及搖臂的優化模擬，得到以下結論：

1）通過對采煤機搖臂齒輪的運動學分析，各級齒輪與行星齒輪的仿真數據與理論數據基本吻合，說明了齒輪傳動設計的正確性，對于實際的井下工作，齒輪在運轉過程中存在1s 的穩定延后期，應盡量在設備穩定后開始工作。

2）通過對采煤機搖臂的數學模型的建立，優化后的搖臂等效應力從163.8 MPa 降低為137.68 MPa，降幅約為15.95%，為采煤機搖臂的改造提供了理論支持，減少了零件的生產制造費用，提高了設備的使用壽命，證明了本次優化設計的可行性。

3）結合采煤機搖臂齒輪的運動學分析和搖臂的數值模擬，設計生產采煤機搖臂齒輪的過程應該考慮其長期承受靜動載荷作用以及實際工作情況而設計，在利益最優化的基礎上最大限度地滿足生產要求。