采煤机内齿圈与摇臂连接组件强度分析与改进

卢闫满

（西山煤电马兰矿，山西 古交 030200）

引言

我国煤炭资源储量丰富，分布较为分散，因地质条件差异，各地的煤层硬度厚度等存在较大的差异[1]。采煤机内齿圈与摇臂连接组件作为采煤机掘进工作的重要结构[2-3]，直接关系着采煤机工作以及企业的产能和效率，得到了煤炭行业的广泛关注[4]。内齿圈与摇臂连接组件结构较为复杂，传统设计计算工作繁重，周期较长，但随着计算机技术的发展，计算机仿真技术应运而生，并在结构设计优化领域得到了较为广泛的应用，取得了很好的效果[5-6]。因此，针对某型号采煤机截割较硬煤层时内齿圈与摇臂连接组件经常出现故障的问题，借助ANSYS 有限元仿真开展其强度分析。

1 采煤机内齿圈与摇臂连接组件分析

摇臂作为采煤机煤炭掘进工作功能实现的关键部件，其结构的设计不仅需要考虑底座连接结构，还需考虑截割滚筒结构，故而将其设计成分体式结构。常用的采煤机内齿圈与摇臂之间采用高强度螺栓连接，具体连接方法如下：内齿圈的连接端为法兰结构，与摇臂壳体对应法兰盘对接，通过22 个高强度普通螺栓连接在一起。因受到采煤机内齿圈和滚筒结构尺寸、安装空间的限制，内齿圈连接端部法兰位置的螺栓孔采用沉孔结构，节省螺栓连接空间，满足采煤机整体结构连接的要求。

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连接采用了22支高强度螺栓，运用SolidWorks 三维软件完成内齿圈与摇臂连接组件的模型建立。因内齿圈与摇臂连接组件实际模型较为复杂，为了提高仿真计算的效率，对内齿圈、螺栓进行了实际结构绘制，摇臂仅建立了其与内齿圈连接部分，同时将径向定位套与摇臂壳体做成一体。

2.2 材料属性设置与网格划分

完成内齿圈与摇臂连接组件三维模型建立之后另存为.igs 格式文件导入ANSYS 仿真计算软件进行材料属性设置，具体设置参数如下：内齿圈材料牌号为42CrMo，屈服强度为930 MPa，计算许用应力为465 MPa；GB/T6190 普通螺栓剪切强度为400 MPa，计算许用应力为80 MPa；定位套材料牌号为ZG310-570，屈服强度为310 MPa，计算许用应力为155 MPa。选择solid92 实体单元类型，采用自由划分网格方法完成内齿圈与摇臂连接组件的网格划分，结果如图1 所示。

图1 内齿圈与摇臂连接组件有限元分析模型

2.3 载荷及边界条件处理

采煤机内齿圈与摇臂连接组件工作时的受力状态较为复杂，本次仿真分析计算重点部位是连接组件之间的受力，仅对极限工作情况进行仿真分析。滚筒工作时的最大截割阻力约为50 kN，最大推进阻力约为40 kN，最大轴向力约为45 kN。内齿圈输入的行星轮扭矩约为2 500 N·m。基于上述载荷数据，在ANSYS 仿真计算软件中进行载荷施加。相邻摇臂实体之间的连接面设置为固定约束，各个组件之间设置为接触对，摩擦系数设置为0.3。

2.4 仿真结果

完成内齿圈与摇臂连接组件有限元仿真分析前处理工作即可启动ANSYS 仿真计算软件自带求解器进行仿真计算，提取各个组成部件的仿真计算结果，如图2、图3、图4 所示，分别为空心轴套、连接法兰和螺栓极端工况下的应力分布云图。由图2 和图3 可以看出，空心轴套和连接法兰的最大工作应力均为95.8 MPa，位置出现在螺栓孔的边缘位置，相较于空心轴套材料的许用应力155 MPa 较小，具有足够的安全裕度。

图2 空心轴套应力（Pa）分布云图

图3 连接法兰应力（Pa）分布云图

图4 连接螺栓应力（Pa）分布云图

由图4 连接螺栓组的应力分布云图可以看出，连接螺栓工作过程中所受的最大应力值为107 MPa，在空心轴套和连接法兰出现最大应力的位置，相较于GB/T 6190—1986 下的普通螺栓材料的许用应力80 MPa，实际工作时螺栓承受的最大应力超出了27 MPa，存在明显的强度不足问题，使用过程中极易出现螺栓剪断或者断裂情况，造成严重的事故。因此，对螺栓尺寸与材料进行优化改进，以便提高内齿圈与摇臂连接组件的螺栓强度，提高采煤机工作的可靠性。

3 改进设计

3.1 改进方法

实际工程应用过程中出现连接螺栓强度不足的问题时改进方法通常包括以下几种：第一是增大原材质螺栓的直径，提高其抗拉强度，进而保证连接组件之间足够的正压力；第二是保持原螺栓尺寸，选择材料更好的螺栓，以便提高连接螺栓的整体力学性能；第三是增加原有连接螺栓的个数，以便降低单个连接螺栓的工作载荷，确保各个连接螺栓的工作安全。考虑连接螺栓改进对于内齿圈与摇臂连接组件整体结构的影响程度，此处选择第二种改进方法，保持原螺栓尺寸不变，选择力学性能更好的螺栓组。参照GB/T 6191—1986，重新确定了连接螺栓，材料的屈服强度为830 MPa，计算许用应力为166 MPa，基于上述仿真分析结果，该螺栓足以满足内齿圈与摇臂连接组件可靠工作的要求。

3.2 改进效果

在内齿圈与摇臂连接组件仿真计算结果的基础上，重新选择了性能更好的连接螺栓，以便提高连接组件的安全性。为了验证更换螺栓之后的内齿圈与摇臂连接组件的工作性能，将其应用于某型号采煤机中，进行了为期半年的跟踪记录。应用结果表明，内齿圈与摇臂连接组件工作稳定可靠，未出现连接螺栓问题。相关统计结果显示，相较于普通连接螺栓，采用高强度螺栓之后的内齿圈与摇臂连接组件故障率降低近12%，降低了日常维护维修工作量近6%，采煤机的有效工作时间提高近10%，预计为企业新增经济效益近100 万元/年，取得了很好的改进效果。

4 结语

1）内齿圈与摇臂连接组件经常出现故障的原因是连接螺栓强度不足。

2）通过更换力学性能，将螺栓的对内齿圈与摇臂连接组件进行改进后，内齿圈与摇臂连接组件运行稳定可靠，解决了经常出现故障的问题。