采煤機截割減速器有限元分析及結構優化改進*

李俊杰

(山西潞安化工集團 左權五里堠煤業有限公司，山西 左權 032600)

0 引 言

采煤機是煤礦開采過程中非常關鍵和重要的機械裝備，其運行可靠性會對煤礦開采質量和效率產生直接影響[1]。 近年來，隨著我國社會對煤炭資源需求量的快速提升，煤礦領域技術水平獲得了快速發展，對采煤設備的技術要求也越來越高[2]。 截割部是采煤機的關鍵構成部分，它由電機驅動，電機輸出的動力需經過減速器傳入到截割頭中，實現截割頭的高速旋轉[3]。 截割部減速器箱體運行時如果出現故障問題必然會影響采煤機運行的安全性。 由于煤礦工作環境復雜，截割頭工作時不可避免地會承受沖擊性載荷，這些作用力均會傳入減速器箱體中，嚴重時對減速器箱體造成破壞[4]。 在開展減速器結構設計時，設計人員通常會通過增加箱體結構尺寸的方式提升其可靠性，這些方式通常會導致結構不科學、不合理。

筆者針對減速器箱體結構設計方面的不足之處，基于有限元方法對采煤機截割減速器進行受力分析，在此基礎上對其結構上的不足進行優化改進，以達到減輕結構件整體重量和降低加工成本的效果。

1 截割減速器有限元建模

1.1 重點分析內容

采煤機截割部減速器箱體是重要的機械結構，其結構設計的合理性不僅影響運行的可靠性，也會影響生產加工成本。 利用Ansys 有限元方法對采煤機截割減速器進行靜力學分析，通過有限元分析可以獲得減速器箱體在工作時的受力和位移變形情況，進而分析減速器箱體結構的合理性，找到結構設計方面存在的問題。 在此基礎上可以實現機械結構的優化改進，降低結構件的生產加工成本。

有限元分析方法的主要流程為:三維模型建立→仿真環境→材料參數定義→網格劃分→分析類型選擇→載荷和約束條件設置→求解參數設置→求解→后處理[5]。 以下對建模中的關鍵步驟進行介紹。

1.2 有限元模型建立

以MG800/2040WD 型采煤機為例進行分析。Ansys 軟件三維建模能力較差，所以需要利用Solid-Works 軟件建立三維模型。 為了確保模型計算的精確性，建模時嚴格按照截割減速器箱體尺寸建模。 為了簡化計算過程，可對結構中的一些細小結構，比如倒角、倒圓等進行省略處理。 已有的經驗表明，這種省略方式不會對最終結果精度產生明顯影響[6]。

將建立的幾何模型通過中間格式IGE 導入到Ansys 軟件中。 首先對其進行網格劃分，軟件中提供了多種類型的網格，不同網格會對計算過程和結果產生一定的影響。 本案例結合實際情況選用的是四面體網格，網格尺寸由軟件根據模型整體結構尺寸自動確定，最終劃分得到的網格單元和節點數量分別為11 324 和13 293 個。 材料屬性方面，截割減速器的加工材料為HT200，查閱材料手冊，該材料的彈性模量和泊松比分別為200 GPa 和0.3，密度大小為7 980 kg/m3，屈服強度為200 MPa。 有限元模型如圖1 所示。

圖1 采煤機截割減速器的有限元模型

2 截割減速器受力結果分析

2.1 結果分析

對完成的有限元模型求解后，調用后處理程序進行結果分析。 文中重點提取了采煤機截割減速器的結構件應力分布云圖。 如圖2 所示為采煤機截割減速器的有限元分析結果。 由圖可知，減速器整體受力雖不大，卻呈現出明顯的不均勻性，圓筒部位的整體受力比較小，端部位置的受力相對較大，局部位置出現了一定的應力集中現象，具體為軸承座部位附近，應力最大值為71.243 MPa。

圖2 截割減速器有限元分析結果

2.2 存在問題

MG800/2040WD 型采煤機截割減速器箱體的加工材料為HT200，該型號材料的屈服強度σb為200 MPa。 理論而言，減速器箱體使用時最大應力控制在200 MPa 范圍內即可。 但在機械工程中，為了提升結構件的可靠性，通常會設置n＝1.5 的安全系數，根據σmax＝σb/n可以計算得到減速器箱體的許用應力σmax為133.33 MPa。 基于上文分析可知，減速器的最大應力只有71.243 MPa，計算的結果雖然遠遠低于材料實際的使用應力，但能更好地保障結構件的運行穩定性和可靠性。 出現這種情況的原因在于設計階段過分追求可靠性，將結構的厚度、寬度等設置過大。 不僅使整個機械裝備過于笨重，還會在一定程度上造成材料浪費，增加機械結構的加工成本。

3 截割減速器結構優化改進方案

3.1 優化方案

由于本次是對已經成型的采煤機截割減速器進行優化，因此不宜做過大的改動，只做小范圍調整。通過對截割減速器進行受力分析發現，只有端部位置的受力較大，圓筒部位的受力非常小。 所以可以適當降低圓筒部位的結構尺寸，以降低減速器整體的質量。 圖3 所示為截割減速器結構優化對象示意圖，可以看出，主要是以圓筒部位的凸臺厚度Y1，圓筒邊部和中間部位的厚度Y2 和Y3 為優化對象。 以上三個參數的初始值分別為60、75 和80 mm，此次優化范圍為初始值的±10%。 為了保證減速器優化后運行的可靠性，優化的約束條件為減速器最大應力不超過材料的許用應力，優化目標為保證結構件的重量最低，以降低采煤機整體重量，節約生產加工成本。

圖3 截割減速器結構優化對象示意圖

3.2 優化結果

根據優化改進方案，利用Ansys 軟件建模并開展優化改進工作，基本方法是在三個優化對象取值范圍內分別取值，根據取值結果建立有限元模型并分析，將不同模型的結果進行對比確定最優結果。 最終最優結果Y1、Y2 和Y3 的取值分別確定為54、67.5 和72 mm，可以看出，優化對象的尺寸與前期相比均出現了不同程度地降低，降低幅度均為10%，即優化對象的取值均為優化范圍的最小值。 如圖4 所示為截割減速器優化后的受力情況，由圖可知，優化后減速器的最大應力值有所增加，為85.467 MPa，但仍然在HT200 材料的許用應力值范圍以內，能有效保障結構件服役的可靠性。 優化改進前，采煤機截割減速器的重量為5 555.5 kg，優化改進后，由于圓筒及其凸臺的厚度結構尺寸均有所降低，因此對應的重量出現了一定程度地降低，最終結果為5 197.6 kg，降低幅度為6.45%。 機械結構件重量與加工成本之間存在一定關系，質量降低意味著加工成本降低。

圖4 截割減速器優化后的受力情況

4 優化后截割減速器應用效果分析

按照以上所述的截割減速器優化改進方案加工對應的產品，并將其運用到MG800/2040WD 采煤機工程實踐中。 由于沒有對減速器結構的外形規格尺寸做過大的改動，所以在實際應用時整體運行良好。目前結構件在工程中運行時間超過半年，經現場人員反饋，并沒有出現明顯的故障問題，驗證了優化改進方案的科學性和合理性。 對于重型機械結構件，材料成本通常占60%以上。 通過此次優化改進，使材料質量降低了6.45%，意味著結構的加工成本會出現大幅度降低，為企業節省了一定的生產加工成本，取得了良好的經濟效益，獲得了企業技術人員的一致好評。

5 結 語

以MG800/2040WD 型采煤機截割減速器為研究對象，利用Ansys 有限元軟件對其進行分析，并對結構進行優化改進。 所得結論主要有:對截割減速器進行有限元分析，發現受力存在一定的不均勻性，軸承座附近出現了一定的應力集中現象，最大應力低于材料的許用應力；以圓筒邊部和中間部位的厚度、圓筒凸臺厚度為優化對象，以最大應力為約束條件，以整體質量為優化目標，利用Ansys 軟件開展優化改進工作，在保障結構件運行可靠性的條件下，使其質量降低了6.45%；將優化改進后的截割減速器部署到煤礦工程實踐中，經現場調試后投入使用，發現效果良好，未出現明顯故障問題，降低了減速器的加工成本。