基于摆臂工况下的矿井采煤机摇臂结构优化设计研究

王 斌

（山西省高平市科兴米山煤业有限公司，山西 高平 048400）

引言

伴随着大功率机械设备的时代到来，采煤机关键部件——摇臂的结构稳定性至关重要，在恶劣的矿井环境中，需要保证长时间受到各类载荷作用的条件下而不被破坏。摇臂结构通常受到循环载荷作用后，出现疲劳损坏的现象，在润滑油的浸湿下将扩大点蚀范围，最终产生破坏性的断裂损伤[1]。通过仿真技术软件，对采煤机的真实工况进行模拟。根据摇臂在摆动过程中的应力分布情况进行分析，找到结构应力集中的危险位置。通过有针对性的结构优化设计，避免了摇臂部件的应力集中现象，提升了摇臂的结构安全性，延长了使用寿命。

1 J81B型采煤机简介

1.1 J81B型采煤机结构部件

J81B型采煤机是矿井常用的采煤机设备，主要针对于薄煤层的煤炭开采作业。该型采煤机的购买成本较低、可移动性较强、整体结构组成简单以及具有多种功能而被广泛使用[2]。组成的关键部件主要分为三大部分，分别为电动机、减速箱和摇臂壳体。电动机类型为无级双轮驱动，并且可实现变频功能；减速箱结构最复杂，包含齿轮、齿轮轴的轮系组合以及冷却喷雾装置[3]。本次研究的摇臂是通过铰接结构与主体机身进行连接，材料为铸造构件。在摆臂的中部形成凹形或挖孔结构，实现轻量化设计，整体结构如图1所示。

图1 J81B型采煤机整体结构组成图

1.2 J81B型采煤机技术参数

J81B型采煤机采用的是七轴组件结合两级行星机构的运动体系，为了防止过载安全隐患，电动机内部安装的传动轴具有细长柔性的特点。行星传动体系的体积和质量较小，能够实现过载保护，抗冲击性较强。该型号采煤机的摇臂长度2 480 mm，形式为整体弯摇臂，单个摇臂质量为9.8 t；截割电机功率为480 kW，供电接入煤矿电网，最大电压为3 300 V；冷却降尘方式的水压为6 MPa，采用内喷雾方式[4]。

2 采煤机摇臂仿真模型建立

2.1 三维模型建立

采煤机摇臂的三维模型由多个零部件装配而成，内部三维模型结构主要包括直齿轮、行星架、内齿轮等关键零部件。由于摇臂在运动过程中，内部的齿轮体系将产生相应运动，在建立模型时，应保证齿轮体系模型的精确性。在建立摇臂模型时，应遵循以下几点：一是忽略对整体结构影响不大的零碎部件，提高建模效率；二是通过Pro/E软件建模时多用拉伸操作，防止旋转建模产生的错误。

首先建立起J81B型采煤机摇臂的整体模型，并将齿轮组装配至摇臂模型中。由于摇臂模型为壳体结构，应注意壳体建模的厚度以及转角的弧度。整体模型如下页图2所示。

图2 J81B型采煤机摇臂模型装配图

2.2 仿真模型建立

采用ANSYS仿真软件，根据工程条件设置仿真参数。对摇臂三维模型进行网格划分，网格选SOLID185单元模型。该单元为6面体8节点网格，计算精度较高；其中齿轮轴选用连杆模型，网格单元类型为BEAM188。网格长宽比小于2.5倍的设置为梁单元，弹性模量是摇臂实体单元的120倍[5]。摇臂壳体材料弹性模量为2.5×105MPa，泊松比为0.29。材料属性设置后，对力学参数进行设置，应注意模型中的刚性、柔性连接处理。根据摇臂在摆动过程中的力学参数施加外力载荷，摇臂的底部添加边界位移约束。将每个旋转力矩施加至齿轮轴上，模拟带动齿轮开始旋转，同时驱动整体摇臂的运动。ANSYS仿真参数模型导入至ADAMS软件中，形成刚柔拟合的摇臂仿真模型，如图3所示，图中紫色区域为施加的力矩作用。

图3 摇臂仿真模型示意图

3 摇臂应力区域分析

摇臂在恶劣复杂的矿井环境中，将不断通过调节液压油压力的方式，使得摇臂处于不同摆臂角度的工况位置。根据现场工程情况，分析4种常见的摆臂角度下结构的应力分布状态，分别为-20°、0°、20°、55°[6]。摇臂在4种角度的运动状态下，结构的应力分布均不相同。通过仿真计算得出，摇臂最大应力数值将随着角度的增大而增大，并且摇臂在向上运动切顶煤时的危险性最高，当达到55°时是最危险的结构应力状态，如图4所示。

图4 摇臂处于55°时结构应力（MPa）分布

当摇臂处于-20°、0°工况时，整体结构受力均匀，没有出现应力集中现象。当处于20°、55°工况时，摇臂在电动机底部和齿轮轴中间肋板处出现了明显应力集中现象，尤其在55°工况时的应力集中更为明显。采煤机摇臂的-20°、0°、20°、55°等4种工况的最大应力数值分别为107.9 MPa、126.9 MPa、136.4 MPa、155.6 MPa。由图4可知，针对采煤机摇臂在55°工况时结构应力集中情况进行优化，能够极大地提升摇臂的安全性。

4 摇臂结构应力分布优化结果分析

由于摇臂是壳体结构，在进行结构优化分析时，应首先针对于壳体壁厚和内部变速箱体厚度作为优化设计参数，结合图4所示的应力集中部位，将肋板高度作为设计参数。因此将壳体壁厚、箱体厚度、肋板高度等三个参数作为优化设计变量。利用ANSYS仿真中的优化模块，设置上述三个参数为优化变量并确定优化目标数值，设计目标为减轻摇臂的整体质量，防止应力集中部位产生，有效降低了最大应用数值。优化变量数值对比如表1所示。

表1 设计变量优化对比表

从表1中可以看出，优化前后摇臂的质量由6 517.1kg降低到6 379.8kg，降低了2.1%，这将为摇臂的制造降低成本。总体来说，本次优化效果比较明显，既控制了摇臂等效应力，在许用应力范围内又降低了制造成本，整体性能有所提高。

从图5中可以看出，优化前后摇臂的应力分布基本相同，应力集中区域仍然集中在肋板处，不同的是优化后肋板处的应力集中分布更加均匀一些，最大等效应力值从152.16 MPa降低到了130.77 MPa，降低了14.1%，效果比较明显，且优化后的应力值在许用应力允许的范围内。

图5 优化后摇臂处于55°时结构应力分布