采煤機搖臂軸套強度分析與優化設計

秦曉杰

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 沁水 048214）

引言

相關統計結果顯示，我國中厚煤層約占全部煤炭儲量的50%，目前正在采掘的厚煤層產煤量已經達到了國內煤炭年產量的45%左右，為我國經濟社會的穩定發展提供了有力的能源保障[1-2]。因厚煤層工作面的工作環境和地質條件較為惡劣，國產采煤機在進行厚煤層采掘時的可靠性存在一定的問題，其中的某些關鍵零部件經常因受力過大而出現故障或者損壞等情況，嚴重影響了采煤機的使用壽命和產煤效率[3-4]。搖臂作為采煤機關鍵組成部件，其工作可靠性至關重要，也是決定采煤機能否安全生產的關鍵，現已引起高度重視[5-6]。因此筆者針對某型號國產采煤機可靠性有待提高的現狀，以其搖臂軸套為研究對象，開展強度分析與優化工作具有重要的意義。

1 采煤機搖臂的受力分析

采煤機受力分析是進行CAE 仿真計算的前提和基礎，假設采煤機滾筒所受的阻力全部集中截齒的齒尖，需要將其進行分解，得到搖臂所受的截割阻力、推進阻力和軸向力。根據采煤機電機的截割功率、滾筒尺寸等，估算得到截割阻力大小為49.866 kN。根據大量的采煤機作業現場的實測數據及采煤機隨機資料可知，采煤機的截割阻力與推進阻力具有一定的比例關系，計算得出采煤機推進阻力大小為37.399 kN；根據采煤機滾筒的實際尺寸，計算得到滾筒軸向力大小為46.488 kN。通過計算得出了采煤機搖臂實際的受力狀態及其大小數值，基于此可以開展采煤機搖臂受力分析，進一步觀察搖臂軸套的應力應變狀態，以便找出軸套工作過程中的薄弱環節，提出切實可行的改進策略。

2 有限元仿真分析

2.1 三維模型的建立

為了確保采煤機仿真計算過程的準確性，采用SolidWorks 軟件建立整個搖臂結構的三維模型。因采煤機搖臂結構較為復雜，為了提高強度分析時的速度和準確性，適當對其進行了簡化，忽略了三維模型中的倒角、圓角和對分析結果影響不大的孔等。將建立完成的搖臂三維模型另存為.IGS 格式的文件，確保ANSYS 有限元仿真計算軟件能夠導入識別。

2.2 材料屬性

根據采煤機隨機資料設置整個搖臂結構的材料屬性，因搖臂結構服役條件極為苛刻，大多部件采用的是高強度合金鋼42CrMo，其具體的材料屬性如下：密度為7 850 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為835 MPa。根據上述具體的材料屬性參數完成整個搖臂結構的材料屬性設置。

2.3 單元格劃分

材料屬性設置完成進行搖臂網格的劃分，根據搖臂工作過程中的實際情況，單元格類型選擇soli92，設置單元格尺寸為10 mm。完成搖臂單元格劃分之后統計得到單元格個數為75 621，節點個數為125 491 個。

2.4 載荷及邊界條件設置

根據采煤機搖臂受力分析結果，對搖臂進行載荷設置，得到搖臂所受的截割阻力、推進阻力和軸向力。將內部各個組成部件之間設置為摩擦接觸，將無潤滑摩擦表面的摩擦系數設置為0.2，將存在潤滑摩擦表面的摩擦系數設置為0.05，將搖臂底座設置為固定約束，模擬其在采煤機中的實際約束情況。

2.5 仿真分析結果

完成采煤機搖臂有限元仿真分析前的模型建立、材料屬性與網格劃分、載荷和邊界條件設置等工作即可啟動ANSYS 軟件自帶求解器進行仿真分析，提取要臂軸套的仿真計算結果，如圖1 所示為軸套應力分布云圖。由圖1 可以看出，軸套內外齒輪內側存在明顯的應力集中現象，其中內齒輪內側的最大應力值為665.024 MPa，外齒輪內側的最大應力為810.425 MPa，可見軸套外側齒輪內側工作過程中承受的載荷大于內齒輪，是軸套工作過程中極易出現破壞的位置。軸套材料為42CrMo，其屈服強度為835 MPa，軸套外側齒輪內側的應力集中數值與其較為接近，工作時如存在載荷波動，存在輪齒斷裂或者崩齒等故障隱患，有必要進行軸套結構的優化設計。

圖1 軸套應力（MPa）分布云圖

3 優化設計

3.1 優化方法

對于類似軸套等機械結構部件降低應力集中問題的方法較多，如更換結構件的制備材料，以提高結構件的整體強度；優化軸套熱處理工藝條件，改善結構件材料的綜合力學性能；加大結構件的尺寸，提高其整體的重量和體積，保證工作過程中具有足夠的強度等；增大應力集中截面位置的過渡圓角倒角尺寸，降低截面突變，改善應力集中現象。為了降低軸套優化設計的工作，不影響采煤機搖臂整體結構尺寸，此處采取增大外齒輪內側齒根位置的過渡圓角，在原來過渡圓角的基礎上增加1.5 mm，通過更換齒輪加工刀頭實現軸套結構圓角的優化。

3.2 優化結果

完成采煤機搖臂軸套結構優化方法的選擇之后重新更改軸套結構三維模型，然后繼續重復上述的有限元仿真分析前處理過程，包括賦予材料屬性、網格結構劃分、載荷條件施加、約束條件設置等。為了與之前的仿真分析結果更好地形成對比，前處理過程中的參數設置要求保持一致。前處理工作完成之后即可啟動ANSYS 仿真計算軟件自帶求解器進行分析，提取優化之后軸套的仿真計算結果，如圖2 所示為優化軸套外齒輪的應力分布云圖。

圖2 優化軸套應力（MPa）分布云圖

由圖2 的軸套應力分布云圖可以看出，結構優化之后的軸套應力集中位置依然出現在外齒輪的內側，其應力最大值為675.492 MPa，相較于優化設計之前的810.425 MPa，應力集中位置的最大應力降低了134.933 MPa，降低比例高達16.65%，可見搖臂軸套外齒輪內側的應力集中現象得到了明顯改善。

4 應用效果評價

為了驗證采煤機搖臂軸套結構優化之后的可裝配性及合理性，對其進行工程圖修改并加工制造，將其應用于某型號采煤機進行裝配與試運行。應用結果表明，優化后的軸套能夠裝配于采煤機搖臂組件內部，裝配性良好；經過手動盤車、空載試運行和負載試運行等環節，確定結構具有很好的可操作性，結構設計合理。相關專業人士依據仿真計算結果預估，相較于之前的搖臂軸套結構，優化之后的搖臂軸套使用壽命能夠提高近30%，降低近40%因搖臂軸套故障引起的采煤機停機時間，預計為煤炭企業新增經濟效益近130 萬元/年，取得了很好的應用效果。

5 結論

搖臂作為采煤機的關鍵組成部件，其工作可靠性要求較高。針對某型號國產采煤機可靠性有待提高的現狀，以其搖臂軸套為研究對象，開展了強度分析與優化工作。結果表明，軸套外齒輪內側存在明顯的應力集中現象，有必要進行優化改進。通過增大外齒輪內側的過渡圓角的方法完成了軸套結構的改進，分析結果表明，應力集中位置的最大應力降低了16.65%，改進效果明顯。應用結果表明，改進后的軸套具有很好的可裝配性，改進合理可行。預計軸套壽命提高近30%，軸套故障停機時間降低近40%，為企業新增經濟效益130 萬元/年。