基于有限元法的采煤機搖臂受力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鄭寶峰

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

引言

采煤機是煤礦開采中最為關(guān)鍵的機械裝備，為了盡量提升煤礦開采效率，對采煤機的功率要求也越來越高[1-2]。搖臂結(jié)構(gòu)是采煤機中的重要工作部件，截割頭對煤巖進(jìn)行截割時，產(chǎn)生的作用力需要通過搖臂傳遞到底座[3]。所以搖臂服役時會承受較大的載荷，偶爾還會承受沖擊性載荷，對結(jié)構(gòu)件的綜合性能提出了較高的要求[4]。如何提升搖臂結(jié)構(gòu)的運行可靠性，從而保障采煤機的運行穩(wěn)定性，是需要重點考慮的問題[5]。本文利用有限元方法對搖臂結(jié)構(gòu)工作時的受力情況進(jìn)行分析，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，取得了良好的效果。

1 搖臂有限元模型的建立

1.1 三維模型建立

以MG200 型采煤機為研究對象，首先利用Pro/E軟件根據(jù)該型號采煤機搖臂結(jié)構(gòu)的實際尺寸建立對應(yīng)的三維幾何模型。需要說明的是，建模中為了提升模型計算速度，確保模型計算過程的收斂性，需要對一些細(xì)小結(jié)構(gòu)，比如倒角、倒圓等忽略處理[6]。完成幾何模型建立工作后，將其導(dǎo)出為“igs”格式，以便導(dǎo)入到Ansys 軟件中進(jìn)行有限元模型的建立。

1.2 有限元模型建立

在Ansys 軟件中導(dǎo)入幾何模型后，首先需要對網(wǎng)格進(jìn)行劃分，劃分質(zhì)量會對計算過程和結(jié)果精度都產(chǎn)生直接影響。Ansys 軟件中有多種類型的單元形式可供選擇，本案例中將單元類型設(shè)置為四面體網(wǎng)格。為了得到最優(yōu)的網(wǎng)格數(shù)量，由軟件自動確定單元尺寸，最終劃分得到的單元數(shù)量和節(jié)點數(shù)量分別為15 324個和17 329 個。采煤機搖臂結(jié)構(gòu)的加工制作材料通常為Q345，因此需要在有限元模型中設(shè)置該材料的基本物理屬性。Q345 的楊氏模量和泊松比分別為210 GPa 和0.3，材料的密度為7 850 kg/m3。為了分析不同工況條件下?lián)u臂的受力情況，本案例中共設(shè)置4種不同工況，分別設(shè)置搖臂與水平面之間的夾角為-20°、0°、20°和55°。

2 搖臂受力分析結(jié)果

2.1 受力結(jié)果

完成有限元模型的分析計算工作以后，可以通過后處理程序?qū)u臂的受力情況進(jìn)行提取分析，本案例中只對搖臂的位移變形和等效應(yīng)力情況進(jìn)行研究，如圖1 所示為搖臂與水平面呈不同角度時對應(yīng)的最大位移值和最大等效應(yīng)力情況，圖中還顯示了θ 為55°時搖臂的等效應(yīng)力分布云圖。由應(yīng)力分布云圖可知，搖臂結(jié)構(gòu)工作時受力呈現(xiàn)出顯著的不均勻性，部分區(qū)域的應(yīng)力相對較小，部分區(qū)域的應(yīng)力相對較大，甚至局部位置出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中區(qū)域主要為齒輪箱殼體與電動機腔體連接的筋板處。其他工況條件下?lián)u臂的受力分布情況基本類似，只是最大應(yīng)力值不同而已。

由圖1 可知，隨著搖臂與水平面角度θ 的不斷增加，搖臂的最大位移值和最大等效應(yīng)力均隨之不斷增加。在研究的4 種工況條件下，當(dāng)θ 為55°時最為惡劣，最大位移值和最大等效應(yīng)力分別為4.27 mm 和155.6 MPa。

圖1 不同工況時搖臂的最大位移和最大等效應(yīng)力

2.2 存在的問題

采煤機搖臂外部殼體結(jié)構(gòu)利用Q345 材料加工制作而成，該材料的屈服強度為345 MPa。理論而言，只要搖臂殼體的最大應(yīng)力不超過屈服強度就能保證材料運行的可靠性。但在機械工程中，為了提升普通結(jié)構(gòu)件服役的穩(wěn)定性和可靠性，通常會設(shè)置安全系數(shù)為1.5。考慮到采煤機搖臂的重要性，及其服役環(huán)境的復(fù)雜性，工作時經(jīng)常承受沖擊性載荷，因此需要將安全系數(shù)設(shè)置為2.5。基于此，可以計算得到搖臂外殼的許用應(yīng)力為138 MPa。對比搖臂不同工況條件下的最大等效應(yīng)力可以看出，當(dāng)θ 為55°時搖臂外殼的最大應(yīng)力超過了材料的許用應(yīng)力，處于危險狀態(tài)，其他工況條件下?lián)u臂外殼的最大等效應(yīng)力均沒有超過材料的許用應(yīng)力，均處于安全狀態(tài)。

3 搖臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

3.1 優(yōu)化改進(jìn)思路

基于有限元分析結(jié)果可知，當(dāng)搖臂與水平面呈55°時，搖臂外殼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且超過了材料的許用應(yīng)力值，存在一定的風(fēng)險。針對該問題，可以對出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象的筋板部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。如圖2 所示為搖臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化對象示意圖，可以看出，共設(shè)置了3 個優(yōu)化對象，分別為壁厚X1、箱體厚X2 和筋板高度X3，以上3 個結(jié)構(gòu)參數(shù)的初始值分別為70 mm、70 mm 和309 mm。考慮到MG200 型采煤機已經(jīng)成型，對搖臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，需要考慮優(yōu)化改進(jìn)對其他結(jié)構(gòu)造成的潛在影響，因此不宜做過多的改動，要求3 個優(yōu)化對象的調(diào)整量不超過原結(jié)構(gòu)尺寸的10%。優(yōu)化改進(jìn)的目標(biāo)是確保搖臂外殼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力低于材料的許用應(yīng)力，同時盡可能降低結(jié)構(gòu)件的總體質(zhì)量。

圖2 搖臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化對象示意圖

優(yōu)化改進(jìn)工作仍然利用Ansys 軟件完成，軟件會在上述3 個結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍內(nèi)自動生成一系列組合，并根據(jù)組合結(jié)果重新建立有限元模型進(jìn)行分析。由于搖臂與水平面呈55°時為危險工況，所以在開展優(yōu)化工作時以此工況為準(zhǔn)。將所有模型的計算結(jié)果進(jìn)行對比，最大應(yīng)力和總體重量最小的視為最優(yōu)結(jié)果。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

完成優(yōu)化改進(jìn)工作后，確定的壁厚X1、箱體厚X2 和筋板高度X3 結(jié)果分別為67.49 mm、63.14 mm和425.68 mm，前兩個參數(shù)與初始尺寸相比較分別降低了2.51 mm 和6.86 mm，后一個參數(shù)與初始尺寸相比增加了116.68 mm。如圖3 所示為搖臂優(yōu)化前后最大位移和最大應(yīng)力對比情況。由圖3 可知，優(yōu)化后的搖臂結(jié)構(gòu)與優(yōu)化前相比較，最大位移和最大等效應(yīng)力分別降低了0.973 mm 和24.83 MPa。最重要的是優(yōu)化后的搖臂結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為130.77 MPa，低于Q345 材料的許用應(yīng)力，能有效保障結(jié)構(gòu)件運行過程的可靠性。另外，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)件整體質(zhì)量出現(xiàn)了一定程度的降低，從優(yōu)化前的6 517.1 kg 降低到了優(yōu)化后的6 379.8 kg，降低幅度為137.3 kg。質(zhì)量的降低能在一定程度上降低結(jié)構(gòu)件的加工制作成本。

圖3 搖臂優(yōu)化前后最大位移和最大應(yīng)力對比情況

3.3 應(yīng)用效果分析

根據(jù)提出的搖臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案，將其應(yīng)用到采煤機工程實踐中，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試無誤后正式投入使用。目前優(yōu)化后的搖臂結(jié)構(gòu)已在工程中應(yīng)用時間超過6 個月。據(jù)現(xiàn)場人員反饋，搖臂整體運行良好，使用期間沒有出現(xiàn)明顯的故障問題。由于服役過程中搖臂外殼結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象得到很好的緩解，所以其使用壽命出現(xiàn)一定程度的提升，初步統(tǒng)計認(rèn)為搖臂外殼結(jié)構(gòu)的使用壽命能提升15%以上，為采煤機的穩(wěn)定可靠運行奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

以MG200 型采煤機的搖臂為研究對象，基于Pro/E 和Ansys 軟件對其受力情況進(jìn)行分析，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。所得結(jié)論主要有：通過分析不同工況條件下?lián)u臂的最大位移和最大等效應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)當(dāng)搖臂與水平面呈55°時，搖臂外殼的最大應(yīng)力超過了材料的許用應(yīng)力，存在很大危險；對出現(xiàn)應(yīng)力集中部位的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使得相同工況條件下?lián)u臂的最大位移和最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)了一定程度的降低，特別是最大應(yīng)力降低到了材料的許用應(yīng)力范圍以內(nèi)；將優(yōu)化后的搖臂部署到采煤機工程實踐中，經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)效果良好，不僅降低了結(jié)構(gòu)的加工制作成本，還提升了其服役使用壽命。