采煤機滾筒螺旋葉片調節式壓制模具設計與研究

梁寶英，郤智強，王永清

（1.山西大同大學機電工程學院，山西 大同 037003；2.晉能控股煤業集團白洞礦業大同有限公司，山西 大同 037003；3.山西大同大學計算機與網絡工程學院，山西 大同 037009）

螺旋滾筒是現代采煤機最關鍵的部件，而螺旋葉片是滾筒的主要零件，承擔著輸煤和裝煤的主要任務，其結構參數合理與否，直接影響著滾筒的輸煤和裝煤效率以及工作穩定性，所以螺旋葉片的壓制成形質量尤為重要[1]。不同的采煤機螺旋滾筒其葉片參數不同，壓制螺旋葉片模具參數就要與之相對應。目前所用的螺旋葉片的壓制模具是不可調節的，且只有三種規格，參數在一定范圍內的葉片使用同一個壓制模具壓制，導致實際生產的螺旋滾筒葉片參數與設計參數誤差較大，嚴重影響滾筒工作性能，裝煤效果不理想。

目前國內外專家學者對采煤機滾筒螺旋葉片的壓制模具方面有一定研究[2-5]，但這些專家學者都是對葉片固定模具相關的壓制工藝、模具結構、模具尺寸計算方法等進行研究，并未涉及螺旋葉片自動調節式壓制模具的研究。

螺旋葉片的幾何參數較多，其中螺旋升角是葉片非常重要的一個參數，其大小直接影響滾筒的裝煤效果[6]。因此，本文提出一種螺旋葉片自動調節式壓制模具，可實現在不更換采煤機螺旋滾筒葉片壓制模具的條件下，通過調節壓制模具一些參數，就可使待壓制的葉片螺旋升角和節距滿足設計要求，從而提高葉片壓制精度、工作效率和自動化程度。

1 葉片自動調節式壓制模具結構設計

1.1 壓制模具結構方案設計

采煤機滾筒螺旋葉片壓制模具包括一個上模和一個下模，上模與下模結構相同，它們主要包括一個基板、四個可動筋板、一個固定筋板、四個電缸、八個液壓缸、四對連接板、四個支撐底座等。其中固定筋板、四對連接板、四個支撐底座均固定在基板上，四個可動筋板對稱布置在固定筋板兩側，并且分別放置在支撐底座圓弧形凹槽中，各通過一根銷軸與一對連接板連接，每個可動筋板上各鉸接一個電缸，通過電缸可使可動筋板繞固定支點擺動；每個可動筋板兩端下方各安裝一個液壓缸，用于支撐可動筋板，防止筋板在承受工作載荷時擺動，下模結構示意圖如圖1所示。

圖1 下模結構示意圖

當啟動電缸工作時，會推動可動筋板繞固定支點擺動，當擺到設計角度時，電缸就停止工作，此時可動筋板兩端下方液壓缸開始工作，當接觸到可動筋板，即停止工作。如果將待壓制螺旋葉片放置在上、下模之間，啟動壓力機，上模移動，直到完成葉片的沖壓成形。

1.2 筋板參數設計

本文設計的螺旋葉片自動調節式壓裝模具，適合采煤機滾筒直徑為1.4 ～1.8 m螺旋葉片的壓制。由于上、下模結構一樣，現取上模為研究對象。葉片寬度一般在400 mm左右，為保證壓制模具能夠完全壓制螺旋葉片，取每塊筋板工作面長度為460 mm，每塊筋板厚度為50 mm，每兩個相鄰筋板之間夾角取10。將上模向水平方向投影，這五塊筋板在水平投影面上的投影呈扇形，見圖2。

圖2 筋板布置水平投影示意圖

1.3 可動筋板擺動角度的確定

下面以外徑Dy=1 120 mm、內徑Dg=550 mm、螺距Sy=727 mm、外緣升角αy=11°、葉片高度H=550 mm的螺旋葉片為例計算筋板擺動角度。

如圖3 所示為螺旋葉片水平投影圖，其形狀為一扇形，為方便計算，按照筋板擺放位置10°統一劃線。

圖3 螺旋葉片水平投影（長度單位：mm）

1）葉片軸向截面圖繪制

由于滾筒螺旋葉片展開圖為直角三角形，其中一條直角邊為葉片高度，另一條直角邊為外螺旋線在水平投影下投影圓的弧長，記為S，由三角函數關系可得：

式中：H為葉片高度；αy為外螺旋升角；S為外螺旋線水平投影圓弧長。

將H=550 mm，αy=11°分別代入式（1），可得S=2 829.5 mm。

螺旋葉片的包角θ（見圖3）為：

式中：Dy為葉片外徑；S為外螺旋線水平投影圓弧。

將S=2 829.5 mm、Dy=1 120 mm 分別代入式（2）得θ=289.5°。

以滾筒筒體軸線為y軸，葉片高度中點為原點，水平方向為x軸建立坐標系。下面分別計算葉片水平投影面包角角度為θ1=10°、θ2=20°處葉片的高度、內外徑上點距原點水平距離。設水平投影面包角為10°、20°處相對應的葉片高度分別記為y1、y2，由一定比例關系可得：

葉片不同包角處內、外徑上點距原點水平距離可由圖3求出。設圖3中葉片水平投影包角為10°、20°處內、外半徑上點距原點的水平距離分別為x1、x2、x3、x4，其值分別為：

由此可得水平投影包角10°、20°處葉片內、外徑上的點在xoy坐標系上的坐標值分別為a（x1，y1）、b（x2，y1）、c（x3，y2）、d（x4，y2），以此類推做出不同包角位置處內、外徑上點的坐標，見表1，并將其用光滑曲線相連，即得螺旋葉片在軸向截面的曲線圖形，見圖4 中實線圖形。

表1 葉片各計算參數

圖4 葉片軸向截面曲線圖

由式（2）可知：葉片螺旋包角θ對應的中間螺旋線弧長Sm為：

由式（1）可得弧長Sm對應的中間螺旋升角αm為：

在軸向截面曲線圖上做出其中間螺旋線，見圖4中雙點劃線圖形。

2）筋板擺動角度計算

在實際壓制中由于壓制模具是按葉片中間螺旋線水平位置放置，故將軸向的截面圖形以對稱點為中心將中間螺旋線旋轉至水平，見圖4中雙點畫線圖形。

對于中間螺旋線升角直線LN，其方程表達式為：

式中：A=tanαm，B=-1，C=0

葉片內任意點到此直線的距離為：

由式（4）可計算出在葉片軸向截面曲線圖中內、外半徑上各點到以上直線的距離，即內外徑各點移動高度，見表1。每個可動筋板的調高距離根據電缸在筋板上的安裝位置來計算，再根據可動筋板的調高距離即可確定可動筋板需要調節的擺動角度。

2 壓制系統額定負載的確定

基于ABAQUS 軟件的顯式動力學分析方法，結合現場壓制情況采用分段壓制，根據螺旋葉片成型后變形量確定系統的工作負載。現取一種規格螺旋葉片進行分析，螺旋葉片主要參數見表2，壓制完成的葉片其內外徑距中線螺旋線的距離在20～25 mm之間，根據所壓制葉片成型后參數構建左、右模具的三維模型，其裝配示意圖如圖5所示。

表2 螺旋葉片主要參數

圖5 裝配示意圖

調節式壓制模具及坯料的材料均取Q345B，其力學性能見表3。

表3 Q345B力學性能

壓制系統整體采用六面體網格進行離散化處理，并對坯料與模具的接觸面進行局部網格細化處理，確定網格單元的數量為52 104。

通過分析將模具定義為剛體，將坯料定義為彈性體，二者之間采用“通用接觸”的接觸方式。對模具施加位移約束，根據模型距離選取合適的位移約束，使得左右模具相互靠近，壓制葉片胚料。約束左側模具的所有自由度，對右側模具施加沿Z軸負向大小為122.5 mm的位移載荷。葉片坯料位移云圖如圖6。

圖6 壓制過程葉片坯料位移云圖

提取壓制過程中隨著位移載荷的施加，模具所受來自葉片坯料的作用力隨時間變化，如圖7 所示。由圖可見，當作用時間超過0.2個單位時間時，模具所受載荷峰值為3 373 kN，因此，取壓制系統額定負載為34 t。

圖7 模具受力隨時間變化曲線

葉片應力分布圖如圖8所示，由圖可見，坯料在最外側受應力最大，與實際生產相符合。

圖8 葉片坯料應力分布圖

3 壓制模具的靜力學分析

利用Ansys Workbench 對葉片調節式壓制模具進行靜力學分析[7-8]。由于調節式壓制模具的上、下模均由4 組結構相同部件組成，現取下模其中一組螺旋葉片在壓制成型過程受力最大部件進行分析。

3.1 可動筋板受力情況

取該組部件可動筋板擺動角度在15°位置進行分析，可動筋板主要承受系統壓力F、支撐液壓缸的作用力F1以及支撐底座的作用力F2，其中F=680 kN，F1=16 kN，筋板受力情況如圖9所示。

圖9 筋板受力情況

3.2 幾何模型建立

本文采用Solid187單元，由10個節點定義，每個節點有3 個自由度，得到26 個實體在x、y、z方向上的分布。按照設計圖紙尺寸通過Solidworks 軟件對所要分析的壓制模具部件進行簡化，一些較小的尺寸部件以及一些工藝孔、倒角等，由于對分析結果影響不大，故可去掉，并在建好的模型上抑制了螺栓銷軸等部件。

3.3 約束參數設置

導入幾何模型之后，調節式壓制模具在ANSYS中模型的邊界條件見表4。

表4 模型邊界條件

3.4 網格劃分

在ANSYS中一般優先選用映射網格劃分，當不能使用映射網格劃分時，考慮選用自由網格作為補充。定義單元尺寸5，定義劃分質量為Medium，對耳板、銷軸孔、螺栓孔等局部網格進行細化，最終節點數量為863 122，總單元數577 205，如圖10所示。

圖10 幾何模型劃分網格圖

定義材料屬性，主基板架與可動筋板均為Q345B，液壓缸組件為45#鋼結構，力學參數見表5。

表5 45#鋼力學性質

3.5 計算結果

通過有限元分析得出其整體部件以及其中各零件的等效應力分布圖，如圖11所示。

圖11 等效應力圖

由上圖可以看出，整體部件最大應力發生在筋板端部下方圓弧過渡處，其值為170 MPa，小于可動筋板許用應力265 MPa，符合靜強度要求。

因此調節式模具在靜載荷作用下，能夠安全可靠地工作。

4 結束語

采煤機滾筒螺旋葉片自動調節式壓制模具，模具結構簡單、合理，操作方便，可通過調節可動筋板擺動的角度，使待壓制螺旋葉片螺旋升角精確達到設計要求，從而提高了螺旋葉片壓制精度、效率和自動化程度，具有很高實用價值和推廣應用價值。