采煤机摇臂结构的优化分析

李雄军

（阳城县阳泰集团西沟煤业有限公司， 山西 晋城 048100）

引言

采煤机的摇臂作为采煤机整体机构最重要的组成部分，在采煤机的结构中主要用于安装采煤机截割机构的传动装置并对采煤机的滚筒进行温度支撑，随着工作面高度的变化调节采煤机滚筒的高度，确保采煤的正常进行，因此摇臂能否稳定工作决定着采煤机整体的工作状态。为确保采煤机摇臂结构的稳定性，目前在进行摇臂机构设计时，主要采用的是提高结构的安全系数，虽然这极大地提高了采煤机整体的质量，但是严重影响了采煤机摇臂结构的经济性和实用性，因此迫切需要采用新的设计理念，对采煤机摇臂结构进行优化，有目的性地对采煤机摇臂结构薄弱的部位进行适当的加强。

1 采煤机摇臂结构三维模型的建立及受力分析

以J71A采煤机为研究对象，根据实际模型，利用CREO三维建模软件，建立三维结构的仿真模型，如图1所示。

图1 采煤机摇臂机构结构视图

为了确保对采煤机摇臂工作时受力状态仿真分析结果的准确性，我们需要建立采煤机摇臂在工作时作用在摇臂上各种载荷的情况。由于采煤机在实际工作时所承受各种载荷的分布是十分复杂且无固定规律的，因此我们采用简化的方法，将作用在采煤机摇臂上的力分解为作用在坐标轴上的三向力及各负载对三坐标轴的力矩[2]。

在仅考虑采煤机滚筒重力G1、作用于摇臂上采煤机的切割力矩M、采煤机摇臂的重力G2、截齿切割煤层时的切割阻力PZ、采煤机滚筒的轴向力PA、采煤机工作时的推进阻力Py的情况下（如图2所示），根据摇臂工作时传动结构的传动比、电机复杂转矩和供电电压、电流成正比的关系，即可得到采煤机在执行采煤时作用于摇臂上采煤机的切割力矩M。

图2 采煤机摇臂受力分析

式中：M0为传动电机的输出转矩，N·m；n为传动电机的额定工作转速，r/min；I为供电电流的强度，A；U为截割执行电机的输入电压，V；cosφ为执行电机的功率因数，取 cosφ=0.8。

截齿切割煤层时的切割阻力Pz主要集中于滚筒中心的截齿的齿尖上，并且垂直于采煤机的牵引速度的方向，可表示为：

式中：NH为执行电机的额定功率，kW；σ为截割机构的传动效率，r/min；DC为螺旋滚筒的直径，mm；K为修正系数，取0.8；n为螺旋滚筒的工作转速，r/min。

采煤机工作时的推进阻力Py也主要是集中于滚筒中央截齿的齿尖位置，且与采煤机的牵引的速度的方向相反，可表示为[3]：

式中：T为采煤机的最大牵引力，N；K1为采煤机截割阻力比，取0.5；同理采煤机滚筒的轴向力PA可表示为：

式中：LK为截齿的最大宽度，m；J为滚筒的有效切割深度，m；K2为滚筒的截割系数，取K2=2。

2 采煤机摇臂模型的三维仿真分析

将建立好的三维模型导入到Adams中并进行网格划分[4]，导入后的三维模型如图3所示。

图3 采煤机摇臂柔性体模型

该采煤机在工作时摇臂的倾角范围为-20°～55°，当采煤机的摇臂在最大倾角工况下工作时，摇臂工作的位移值最大，切割煤层时作用在摇臂上的各类动载荷也越多，因此我们在进行仿真分析时，只针对采煤机摇臂在最危险工况下的受力情况进行仿真分析，仿真结果如图4、图5所示。

由仿真分析结果可知，摇臂在工作时的最大的位移出现在摇臂的行星结构的端部，最大位移达到了5.51 mm，但此时作用于摇臂上的等效应力的最大值达到了219.29 MPa，且最大应力发生在驱动电机的箱体和传动机构齿轮箱之间连接的肋板上，已经远超了材料的许用应力，因此该处最易出现疲劳损伤，需对结构进行加强。

图4 摇臂的等效位移（mm）云图

图5 摇臂的等效应力（MPa）云图

3 采煤机摇臂结构的优化设计

优化设计是指对产品的结构参数进行优化分析，找出一组最优的设计参数变量，在满足产品设计要求的前提下尽量降低产品的成本。因此利用优化设计的理念对采煤机摇臂进行优化，在进行优化设计时，为确保整体结构的优化，采取了降低摇臂结构整体壁厚，同时重点对摇臂连接肋板处进行结构加强的措施，优化后的仿真如图6—图7所示。

图6 优化前后摇臂的位移（mm）云图

图7 优化前后摇臂的应力（MPa）云图

由图6可知，优化后摇臂的最大位移从最初的5.51 mm增加到了目前的5.57 mm，仅增加了1.1%，且均在许用安全范围内。

由图7可知，在经过优化后，摇臂的应力分布范围与优化前基本一致，最大应力依旧是发生在连接肋板的位置，但可以明显的看出，其最大应力由最初的219.29 MPa降低到了目前的153.2 MPa，降低了约30.1%，优化效果极为显著。

下页表1为经过优化设计后，摇臂各参数量的对比，由表1对比可以看出，优化前摇臂的整体质量为6516.1 kg，经结构优化后其整体重量降低到了6319.8 kg，降低了约3.1%，不仅极大降低了采煤机整体的重量、加强了摇臂应力集中处的结构而且降低了采煤机整体的制造成本，优化效果十分显著。

表1 优化前后摇臂的参数对比

4 结论

摇臂作为采煤机动力传动的核心结构，其工作时的可靠性和稳定性直接决定着采煤机整体的工作性能。因此为了确保采煤机摇臂结构的可靠性，利用Ansys仿真分析软件对采煤机摇臂的三维结构模型进行了仿真分析及优化，结果表明优化后采煤机摇臂整体的重量降低了约3.1%，优化效果十分的显著。

[1]刘楷安.采煤机截割部虚拟样机及其动态特性仿真研究[D].太原：太原理工大学，2005.

[2]刘楷安，李秋菊，姜学寿.基于刚柔耦合的采煤机摇臂动态特性仿真研究[J].煤矿机械，2010，31（11）：47-49.

[3]刘送永.采煤机滚筒截割性能及截割系统动力学研究[D].徐州：中国矿业大学，2009.

[4]李辉，王义亮，杨兆建.采煤机摇臂减速箱齿轮传动系统动力学仿真[J].煤矿机械，2011，32（8）：40-42.