采煤机摇臂内齿圈与壳体连接组件强度分析与改进

李永辉

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司， 山西 长治 046699）

引言

煤炭作为我国近年来需求量越来越多的资源，其采掘工作量逐年增加，与此同时也对传统采煤机械的可靠性提出了更高的要求[1]。采煤机作为煤炭开采过程中的重要装置，其煤层采掘适应性指标至关重要[2-3]。内齿圈与摇臂连接组件作为采煤机采煤动力的关键传输部件，不仅与采煤机的效率直接相关，还与煤炭企业的采煤量挂钩，可靠性要求较高[4]。内齿圈与摇臂连接组件工作环境恶劣，受力情况复杂，长时间使用时经常会出现螺栓断裂等问题，必须高度重视[5-6]。因此针对某型号采煤机内齿圈与摇臂连接组件经常出现故障的现状，借助ANSYS 有限元仿真分析软件，开展采煤机摇臂内齿圈与壳体连接组件强度分析与改进工作具有重要意义。

1 内齿圈与摇臂连接组件简介

摇臂作为采煤机结构组件，采用分体式结构。某型号采煤机内齿圈与摇臂之间使用的是螺栓配合销轴的连接方式，螺栓仅承受紧固力，销轴承受剪切力。具体连接情况如下：内齿圈法兰与摇臂壳体之间采用12 支螺栓和6 支圆柱销连接，为了节省螺栓空间，螺栓孔设计为沉孔结构，满足采煤机整体结构的连接要求。相关研究表明，该采煤机长时间工作时存在故障问题，如连接螺栓断裂等，严重影响了采煤机的利用率和采煤效率，限制了煤炭企业产煤量的进一步提升，有必要开展采煤机内齿圈与摇臂连接组件的强度分析，以提高采煤机工作的可靠性。

2 有限元仿真分析

2.1 三维模型建立

采煤机内齿圈与摇臂连接组件三维模型借助SolidWorks 软件完成，涉及内齿圈、螺栓组和圆柱销组等结构。为了简化内齿圈与摇臂连接组件复杂的实际结构，摇臂仅建立了其与内齿圈连接部分，将径向定位套与摇臂壳体建立整体结构，以便提高仿真计算的效率。

2.2 材料属性设置与网格划分

将内齿圈与摇臂连接组件三维模型倒入ANSYS仿真软件之后进行材料属性设置，具体材料属性参数如下：内齿圈屈服强度为930 MPa，计算许用应力为465 MPa；GB/T 6190 普通螺栓剪切强度为400 MPa，计算许用应力为80 MPa；定位套材料屈服强度为310 MPa，计算许用应力为155 MPa。完成材料属性设置之后启动自由划分网格按钮，即可完成网格结构的划分。

2.3 载荷与约束施加

内齿圈与摇臂连接组件仿真分析仅针对极限工作载荷，摇臂滚筒采煤时的极限截割阻力为50 kN，极限推进阻力为40 kN，极限轴向力为45 kN，内齿圈输入的行星轮扭矩为2 500 N·m。依次完成内齿圈与摇臂连接组的载荷施加。约束设置时，各相邻组件之间设置接触对，之间的摩擦系数输入为0.3。

2.4 仿真结果

采煤机摇臂内齿圈与壳体连接组件有限元仿真分析前处理工作由ANSYS 仿真软件完成，之后启动ANSYS 软件内部自带求解器进行强度分析，计算结束得到内齿圈、螺栓组和圆柱销的等效应力分布云图，分别如图1、下页图2 和图3 所示。

图2 螺栓组等效应力（Pa）分布云图

图3 圆柱销等效应力（Pa）分布云图

由图1 内齿圈等效应力分布云图可以看出，工作过程中的最大应力数值为111 MPa，出现在内齿圈的销轴孔的受力边缘。相较于内齿圈材料42CrMo 的计算许用应力465 MPa，计算得出安全系数为4.19，强度足以满足工程需要。

图1 内齿圈等效应力（Pa）分布云图

由图2 螺栓组等效应力分布云图可以看出，工作过程中的最大应力数值为112 MPa，出现在内齿圈与螺柱接触的边缘。相较于螺栓材料的计算许用应力80 MPa（GB/T 6190—1986），出现了明显的应力集中情况，采煤机摇臂内齿圈与壳体连接组件工作过程中存在螺栓剪断或者拉断的危险，需要进行改进设计方可保证采煤机摇臂内齿圈与壳体连接组件的可靠工作。

由图3 圆柱销等效应力分布云图可以看出，工作过程中的最大应力数值为16.1 MPa，出现在内齿圈与销轴接触位置的边缘。相较于销轴材料ZG310-570的计算许用应力155 MPa，计算得出安全系数为9.63，强度足以满足工程需要。

3 改进设计

由上述仿真计算结果可以看出，采煤机摇臂内齿圈与壳体连接组件实际工作过程中连接螺栓组存在强度不足的问题需要进行改进。目前改进螺栓连接组件的方法涉及以下途径：一是改变连接螺栓的材质，保持原有的外形尺寸，提高连接螺栓的抗拉强度；二是增加原来螺栓连接组的螺栓公称直径，需要改变原来内齿圈与壳体连接组件的螺纹连接组件的结构，三是提高原有螺栓组的螺栓个数，降低单个螺栓所承受的载荷，提高各个螺栓工作安全系数。综合考虑上述螺栓强度不足的改进方法以及实施的难易程度，此处选择第一种改进措施，保持原螺栓连接结构不变的前提下，更换力学性能更好的螺栓组，参照国标号为GB/T 6191—1986 的标准，重新确定了连接螺栓的等级，选择的螺栓屈服强度为830 MPa，计算许用应力为166 MPa，参照以上计算结果，足以满足采煤机摇臂内齿圈与壳体连接组件最大工作载荷下可靠工作的要求。

4 应用效果评价

为了验证内齿圈与摇臂连接组件更换高强度连接螺栓之后的改进效果，将其服役中的采煤机普通螺栓组全部换掉，跟踪观察其运行效果。结果表明，采煤机内齿圈与摇臂连接组件工作可靠，未出现连接螺栓失效情况，能够有效保证采煤机内齿圈与摇臂连接组件稳定工作的要求。经统计表明，高强度螺栓组的投入使用，降低了近13%的内齿圈与摇臂连接组件故障率，维保工作量降低近7%，提高了近11%的采煤机工作效率，将会为企业新增经济效益150 万元/年。