基于有限元法的采煤机摇臂力学分析及结构优化设计

马茂林

（华阳平舒煤矿有限责任公司，山西 阳泉 045000）

引言

采煤机是煤矿开采中重要的机械装备，随着煤矿领域进步对采煤效率要求的不断提升，采煤机正朝着大型化、重型化方向发展[1-3]。摇臂结构是采煤机中的主要机械结构之一，其性能的好坏对采煤机的整体性能有非常重要的影响[4-5]。但在实践过程中，摇臂部位的受力相对较为复杂，容易出现应力集中，最终导致该结构出现损伤失效[6]。本文主要以J71A型采煤机为例，对其工作时摇臂结构的受力情况进行了分析，并基于力学分析结果对其结构进行优化设计。

1 采煤机摇臂结构概述

以J71A型采煤机摇臂结构为对象进行研究，该型号采煤机整体功率为480 kW，需要通过3.3 kV的电压进行供电。其中，摇臂结构是采煤机中的重要构成部分，其整体质量将近10 t，长度为2.38 m，属于整体弯摇臂，图1 为采煤机摇臂结构主要构成。从图中可以看出，摇臂结构主要由销轴组件、冷却管组、摇臂壳体、截割电机及传动系统等部分构成。摇臂结构通过销轴组件实现与采煤机整体的连接，工作时绕销轴部位进行转动。另外，通过油缸的伸缩，还可以实现摇臂结构整体的上下移动。摇臂结构的运动可以带动截割头部位移动，实现不同位置的截割。截割电动机的作用是为滚筒提供动力，从电动机中输出的动力经过直齿传动和行星传动后，带动滚筒运动实现落煤与装煤。

图1 采煤机摇臂结构主要构成

2 摇臂结构有限元模型的建立

利用PRO/E 软件建立摇臂结构的三维几何模型，具体结构见图1。在建立几何模型时需要对一些非核心结构进行省略，比如圆角、倒角等位置，此举可以在保障计算结果精度的同时提升计算速度。将建立好的几何模型导出为STL 格式，再将其导入到ANSYS 软件中进行后续的建模。首先需要进行材料属性的设置，摇臂结构壳体部位采用的材料为Q345，将该类型材料的物理和力学属性输入到有限模型中参与计算，以保障最终计算结果的精度。然后是对几何模型进行网格划分，在充分考虑实际情况的基础上，选择六面体网格进行自动网格划分，最终得到的网格和节点数量分别为15 352 和17 653 个。考虑到摇臂结构工作时会绕销轴部位进行旋转，当摇臂结构处于不同角度时，整体的受力情况也存在很大差异，所以研究了摇臂结构与水平方向呈不同角度时的受力情况。

3 摇臂结构受力结果分析与讨论

基于上述的建模方法和流程，完成采煤机摇臂结构的受力分析有限元模型的建立工作并调用计算模块对模型进行计算。考虑到摇臂结构工作时会处于不同的转角状态，因此研究了摇臂结构处于不同转角时的受力情况。如下页表1 所示为摇臂结构处于不同转角状态时的变形和受力情况。由表中数据可以明显看出，随着摇臂结构与水平面之间角度的不断增加，摇臂结构的最大位移和最大应力值均出现了不同程度的增加。当两者之间的角度为55°时，位移和应力值均达到了最大状态，意味着这是摇臂结构最恶劣的工况。

表1 摇臂结构处于不同转角状态时的变形和受力情况

如图2 所示为摇臂结构与水平面成55°时的位移和应力分布云图，其他三种工况的位移和应力分布云图有相同的分布规律。从位移分布云图中可以看出，最大位移出现的位置在摇臂结构的行星头部位，并且与耳座之间的距离越远，则对应的位移就越大。出现这种情况的原因在于摇臂结构是通过上下耳座实现与采煤机的连接与固定，所以行星头部位的载荷值最大，整个摇臂结构属于悬臂梁结构，与支撑点之间的距离越远，则其位移值越大。最大位移达到了4.28 mm。从应力分布云图中可以看出，整个摇臂结构的受力情况并不是非常均匀，位移较大的行星头部位的应力却基本为零，最大应力值出现在齿轮箱壳体和电动机腔体中间的肋板部位。最大应力值达到了155.6 MPa。摇臂结构的生产制作材料为Q345，该种材料的屈服强度为345 MPa。由于采煤机较为特殊，其安全系数通常取为2.5，则可以计算得到摇臂结构的许用应力值为138 MPa。可以看出摇臂结构的最大应力已经超过了材料的许用应力，存在一定的危险性。

图2 摇臂结构与水平面成55°时的位移和应力分布云图

4 摇臂结构的优化改进设计研究

基于以上分析可以看出，摇臂结构最大应力值出现在齿轮箱壳体和电动机腔体中间的肋板部位，所以需要对该位置附近的钢板高度和厚度进行优化，使用的优化软件为ANSYS。取三个优化目标，分别为筋板的厚度ds_bh、筋板在水平方向的宽度ds_xth、筋板的高度ds_lbad，如图3 所示为三个优化目标的具体位置。上述三个优化目标的取值范围分别设定在（63，77）（63，77）（250，450）。ANSYS 软件在计算时会在上述三个范围内取值并对模型进行计算，对比摇臂结构的最大应力值，当最大应力值处于最小状态时，认为结果最优。

图3 摇臂结构优化目标参数

经过计算后得到的最优结果为：筋板厚度为67.5 mm、筋板在水平方向的宽度为63.15 mm、筋板的高度为425.69 mm。优化改进后，摇臂结构与水平方向成55°角时的位移和应力分布云图如图4 所示。对比优化前后的云图可以看出，不管是位移云图还是应力云图，整体上的分布规律变化不是很大。但是最大位移值和最大应力值分别降低到了3.297 mm 和130.77 MPa，降低的幅度分别为22.96%和15.95%。通过对摇臂结构进行优化改进，使得最大位移和最大应力值均出现了一定程度的降低，最重要的是最大应力值降低到了材料的许用应力值以下，有效保障了该结构工作时的安全性。

图4 优化后摇臂结构的位移和应力分布云图

将优化改进后的摇臂结构应用到J71A型采煤机中，并进行了连续6 个月时间的观察，结果发现整体的运行效果良好，摇臂结构没有出现明显的故障问题，故障率与之前相比有了明显的降低，使用寿命提升了15%以上。综上，对摇臂结构的优化改进取得了很好的应用效果，获得了煤矿技术人员的一致认可。

5 结论

1）摇臂结构正常工作时，随着摇臂结构与水平面之间角度的不断增加，最大位移和最大应力均出现了一定程度的增加。当角度为55°时的情况最为恶劣，最大位移值和最大应力值分别达到4.28 mm和155.6 MPa。

2）以筋板的厚度、高度和宽度为优化目标，利用ANSYS 软件对摇臂结构进行优化改进。在其他情况均相同的情况下，当角度为55°时对应的最大位移值和最大位移值分别降低了22.96%和15.95%。

3）将优化改进方案应用到采煤机工程实践中，取得了很好的应用效果，摇臂结构的寿命有了显著提升，有效保障了采煤机的服役稳定性。