采煤機牽引部行走機構殼體拓撲優化

李明昊，趙麗娟，喬 捷，馬小英

（1.沈陽理工大學機械工程學院 遼寧 沈陽 110159 2.遼寧工程技術大學機械工程學院 遼寧 阜新 123000 3.遼寧省大型工礦裝備重點實驗室 遼寧 阜新 123000）

0 引言

采煤機牽引部行走機構殼體是采煤機牽引部的關鍵零件，受到復雜的瞬時載荷作用，合理的設計行走機構殼體是采煤機設計的關鍵環節[1-2]。對薄煤層采煤機牽引部行走機構殼體進行動力學分析，利用虛擬樣機技術建立了采煤機整機的動力學分析模型，結合有限元軟件ANSYS得到了行走機構殼體變形云圖、等效應力云圖、等效應變云圖和拓撲優化結果。

1 采煤機截割機理

采煤機在工作過程中，螺旋滾筒受到復雜的瞬時載荷，螺旋滾筒主要受到側向力、牽引阻力和截割阻力[3]，滾筒受力分析如圖1所示。

圖1 螺旋滾筒受力分析

圖1 中Xj為截齒的側向力；Yj為截齒的牽引阻力；Zj為截齒的截割阻力，當截齒為鋒利狀態時，截齒的截割阻力Z0為：

當截齒鋒利截割煤壁時，為：

當截齒鋒利截割煤壁時，為：

當截齒磨鈍截割煤壁時，為：

2 采煤機虛擬樣機模型的建立

2.1 瞬時負載模擬

利用MATLAB 軟件對薄煤層采煤機進行載荷模擬，基于表1 的工況對采煤機的載荷進行模擬。利用公式（1）～（5）計算滾筒截齒的瞬時載荷，將截齒的載荷轉化到滾筒的質心處，得到圖2 的螺旋滾筒三向力和三向力矩曲線，圖2a中的曲線分別代表螺旋滾筒X、Y 和Z 方向的受力，圖2b 中的曲線分別代表螺旋滾筒X、Y和Z方向的力矩。

表1 采煤機瞬時負載計算參數

圖2 采煤機螺旋滾筒瞬時負載

2.2 采煤機虛擬樣機模型的建立

將建立的采煤機三維PRO/E 模型轉化為通用格式，導入到動力學分析軟件ADAMS 中。設置采煤機各個零部件的材料參數，加載對應的運動副和約束，由于采煤機的傳動機構主要為齒輪傳動，選用沖擊函數法定義齒輪傳動的接觸對，如圖3所示：

圖3 齒輪間接觸的定義

利用Mark 點添加機械零部件之間的約束，利用STEP函數設置電機的驅動，利用ADAMS/View 中的檢查分析模塊對其進行檢查約束設置是否合理[4]，得到虛擬樣機模型如圖4所示。

圖4 采煤機虛擬樣機模型

2.3 虛擬樣機運動仿真

在動力學仿真軟件ADAMS 中進行分析求解，得到牽引部行走機構的齒輪接觸力圖，如圖5 所示。對牽引部行走機構的齒輪接觸力進行分解，加載在行走機構殼體的有限元模型上，可以得到行走機構殼體的有限元分析結果，為殼體拓撲優化提供了數據支撐。

圖5 齒輪接觸力圖

3 牽引部行走機構殼體的拓撲優化

有限元分析是一種用來分析結構在給定的載荷作用下所產生的位移形變，等效彈性應變，以及等效應力等結果。Ansys 的分析步驟為先進行導入實體，對導入實體進行網格劃分，在網格劃分過程中根據實體的具體情況進行網格劃分[5]，選取合適的網格大小，再對導入實體進行固定約束，添加載荷，最后求解。導入減速器行走機構殼體三維模型的模塊見圖6。

圖6 導入行走機構殼體模型

需要利用靜力學分析模塊（Static Structural）求解，由于行走機構殼體模型比較復雜，要利用幾何體模塊（Geometry）導入三維模型，將A2與B3進行連接，導入行走機構殼體模型。

對殼體進行劃分網格，利用Model進入模型，選擇mm 單位。點擊左側模塊中的“Mesh”，左下角會出現“Details of Mesh”模塊，點擊Sizing選項，在下拉選項中的“Element Size”將網格大小設為5 mm，最后單擊“Generate Mesh”，得到的殼體網格劃分結果見圖7。

圖7 網格劃分圖

網格劃分結束后進行固定約束和加載荷。由于行走機構殼體是由五個螺栓進行固定，所以在螺栓孔加固定約束。單擊“Static Structural”選項，工具欄會出現“Supports“Loads”等選項。單擊“Supports”選項下的“Fixed Support”選項，添加固定約束，如圖8 所示。行走機構殼體主要受力位置主要是齒輪嚙合力的作用，點擊“Loads”選項下的“Force”選項添加載荷圖5 的載荷，圖9為加載荷位置。

圖8 固定約束

圖9 載荷加載圖

對殼體進行靜力學分析，需要選擇求解的內容，點擊 solution,添加變形（Deformation--Total）,添加應變（Strain--Equivalent），添加應力（Stress--Equivalent），點擊Solve求解。得到的求解結果如圖10～12所示。

圖10 變形云圖

圖11 等效應變云圖

圖12 等效應力云圖

由圖 10～12 所示，最大變形為0.130 05 mm；行走機構殼體的最大等效應力為187.41 MPa；最大等效應變為0.000 941 7 mm。

由于行走機構殼體的結構比較復雜，在拓撲優化環節需要導入模型后再次進行網格劃分、施加固定約束和加載載荷。對殼體進行結構拓撲優化，設定拓撲優化約束為減少質量25%，進行求解，結果見圖13。

圖13 拓撲優化結果

4 結論

對薄煤層采煤機牽引部行走機構殼體進行了動力學仿真，基于仿真結果對其進行拓撲優化設計，得到的結論如下：

（1）基于采煤機破煤理論，得到了薄煤層采煤機的瞬時動態載荷；利用PRO/E、ADAMS和MALAB建立了采煤機虛擬樣機模型?；诓擅簷C虛擬樣機仿真結果，利用ANSYS 軟件對其進行仿真，得到了牽引部機構殼體變形云圖、等效應力云圖和等效應變云圖，最大值分別為0.130 05 mm、0.000 941 7 mm和187.41 MPa。

（2）基于仿真結果，對牽引部機構殼體進行拓撲優化設計，對其進行細致的網格劃分，設定拓撲優化的約束為減少質量25%，得到了行走機構殼體的拓撲優化結果云圖，為采煤機牽引部機構殼體的優化設計提供了重要的依據。

（3）將虛擬樣機技術和有限元技術相結合，對采煤機牽引部行走機構殼體進行拓撲優化，可以在設計階段對殼體進行分析，提出優化策略。為牽引部行走機構殼體的設計提供了數據支撐和理論方法，可以縮短研發周期，節約設計制造成本。