基于有限元法的采煤機搖臂力學分析及結構優(yōu)化設計

馬茂林

（華陽平舒煤礦有限責任公司，山西 陽泉 045000）

引言

采煤機是煤礦開采中重要的機械裝備，隨著煤礦領域進步對采煤效率要求的不斷提升，采煤機正朝著大型化、重型化方向發(fā)展[1-3]。搖臂結構是采煤機中的主要機械結構之一，其性能的好壞對采煤機的整體性能有非常重要的影響[4-5]。但在實踐過程中，搖臂部位的受力相對較為復雜，容易出現(xiàn)應力集中，最終導致該結構出現(xiàn)損傷失效[6]。本文主要以J71A型采煤機為例，對其工作時搖臂結構的受力情況進行了分析，并基于力學分析結果對其結構進行優(yōu)化設計。

1 采煤機搖臂結構概述

以J71A型采煤機搖臂結構為對象進行研究，該型號采煤機整體功率為480 kW，需要通過3.3 kV的電壓進行供電。其中，搖臂結構是采煤機中的重要構成部分，其整體質量將近10 t，長度為2.38 m，屬于整體彎搖臂，圖1 為采煤機搖臂結構主要構成。從圖中可以看出，搖臂結構主要由銷軸組件、冷卻管組、搖臂殼體、截割電機及傳動系統(tǒng)等部分構成。搖臂結構通過銷軸組件實現(xiàn)與采煤機整體的連接，工作時繞銷軸部位進行轉動。另外，通過油缸的伸縮，還可以實現(xiàn)搖臂結構整體的上下移動。搖臂結構的運動可以帶動截割頭部位移動，實現(xiàn)不同位置的截割。截割電動機的作用是為滾筒提供動力，從電動機中輸出的動力經過直齒傳動和行星傳動后，帶動滾筒運動實現(xiàn)落煤與裝煤。

圖1 采煤機搖臂結構主要構成

2 搖臂結構有限元模型的建立

利用PRO/E 軟件建立搖臂結構的三維幾何模型，具體結構見圖1。在建立幾何模型時需要對一些非核心結構進行省略，比如圓角、倒角等位置，此舉可以在保障計算結果精度的同時提升計算速度。將建立好的幾何模型導出為STL 格式，再將其導入到ANSYS 軟件中進行后續(xù)的建模。首先需要進行材料屬性的設置，搖臂結構殼體部位采用的材料為Q345，將該類型材料的物理和力學屬性輸入到有限模型中參與計算，以保障最終計算結果的精度。然后是對幾何模型進行網格劃分，在充分考慮實際情況的基礎上，選擇六面體網格進行自動網格劃分，最終得到的網格和節(jié)點數(shù)量分別為15 352 和17 653 個。考慮到搖臂結構工作時會繞銷軸部位進行旋轉，當搖臂結構處于不同角度時，整體的受力情況也存在很大差異，所以研究了搖臂結構與水平方向呈不同角度時的受力情況。

3 搖臂結構受力結果分析與討論

基于上述的建模方法和流程，完成采煤機搖臂結構的受力分析有限元模型的建立工作并調用計算模塊對模型進行計算。考慮到搖臂結構工作時會處于不同的轉角狀態(tài)，因此研究了搖臂結構處于不同轉角時的受力情況。如下頁表1 所示為搖臂結構處于不同轉角狀態(tài)時的變形和受力情況。由表中數(shù)據可以明顯看出，隨著搖臂結構與水平面之間角度的不斷增加，搖臂結構的最大位移和最大應力值均出現(xiàn)了不同程度的增加。當兩者之間的角度為55°時，位移和應力值均達到了最大狀態(tài)，意味著這是搖臂結構最惡劣的工況。

表1 搖臂結構處于不同轉角狀態(tài)時的變形和受力情況

如圖2 所示為搖臂結構與水平面成55°時的位移和應力分布云圖，其他三種工況的位移和應力分布云圖有相同的分布規(guī)律。從位移分布云圖中可以看出，最大位移出現(xiàn)的位置在搖臂結構的行星頭部位，并且與耳座之間的距離越遠，則對應的位移就越大。出現(xiàn)這種情況的原因在于搖臂結構是通過上下耳座實現(xiàn)與采煤機的連接與固定，所以行星頭部位的載荷值最大，整個搖臂結構屬于懸臂梁結構，與支撐點之間的距離越遠，則其位移值越大。最大位移達到了4.28 mm。從應力分布云圖中可以看出，整個搖臂結構的受力情況并不是非常均勻，位移較大的行星頭部位的應力卻基本為零，最大應力值出現(xiàn)在齒輪箱殼體和電動機腔體中間的肋板部位。最大應力值達到了155.6 MPa。搖臂結構的生產制作材料為Q345，該種材料的屈服強度為345 MPa。由于采煤機較為特殊，其安全系數(shù)通常取為2.5，則可以計算得到搖臂結構的許用應力值為138 MPa。可以看出搖臂結構的最大應力已經超過了材料的許用應力，存在一定的危險性。

圖2 搖臂結構與水平面成55°時的位移和應力分布云圖

4 搖臂結構的優(yōu)化改進設計研究

基于以上分析可以看出，搖臂結構最大應力值出現(xiàn)在齒輪箱殼體和電動機腔體中間的肋板部位，所以需要對該位置附近的鋼板高度和厚度進行優(yōu)化，使用的優(yōu)化軟件為ANSYS。取三個優(yōu)化目標，分別為筋板的厚度ds_bh、筋板在水平方向的寬度ds_xth、筋板的高度ds_lbad，如圖3 所示為三個優(yōu)化目標的具體位置。上述三個優(yōu)化目標的取值范圍分別設定在（63，77）（63，77）（250，450）。ANSYS 軟件在計算時會在上述三個范圍內取值并對模型進行計算，對比搖臂結構的最大應力值，當最大應力值處于最小狀態(tài)時，認為結果最優(yōu)。

圖3 搖臂結構優(yōu)化目標參數(shù)

經過計算后得到的最優(yōu)結果為：筋板厚度為67.5 mm、筋板在水平方向的寬度為63.15 mm、筋板的高度為425.69 mm。優(yōu)化改進后，搖臂結構與水平方向成55°角時的位移和應力分布云圖如圖4 所示。對比優(yōu)化前后的云圖可以看出，不管是位移云圖還是應力云圖，整體上的分布規(guī)律變化不是很大。但是最大位移值和最大應力值分別降低到了3.297 mm 和130.77 MPa，降低的幅度分別為22.96%和15.95%。通過對搖臂結構進行優(yōu)化改進，使得最大位移和最大應力值均出現(xiàn)了一定程度的降低，最重要的是最大應力值降低到了材料的許用應力值以下，有效保障了該結構工作時的安全性。

圖4 優(yōu)化后搖臂結構的位移和應力分布云圖

將優(yōu)化改進后的搖臂結構應用到J71A型采煤機中，并進行了連續(xù)6 個月時間的觀察，結果發(fā)現(xiàn)整體的運行效果良好，搖臂結構沒有出現(xiàn)明顯的故障問題，故障率與之前相比有了明顯的降低，使用壽命提升了15%以上。綜上，對搖臂結構的優(yōu)化改進取得了很好的應用效果，獲得了煤礦技術人員的一致認可。

5 結論

1）搖臂結構正常工作時，隨著搖臂結構與水平面之間角度的不斷增加，最大位移和最大應力均出現(xiàn)了一定程度的增加。當角度為55°時的情況最為惡劣，最大位移值和最大應力值分別達到4.28 mm和155.6 MPa。

2）以筋板的厚度、高度和寬度為優(yōu)化目標，利用ANSYS 軟件對搖臂結構進行優(yōu)化改進。在其他情況均相同的情況下，當角度為55°時對應的最大位移值和最大位移值分別降低了22.96%和15.95%。

3）將優(yōu)化改進方案應用到采煤機工程實踐中，取得了很好的應用效果，搖臂結構的壽命有了顯著提升，有效保障了采煤機的服役穩(wěn)定性。