采煤机截割部摇臂箱体结构优化及效果评价

徐云龙

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿， 山西 古交 030200）

引言

煤炭是保障我国经济稳定、快速增长的主要能源，在未来很长一段时间内其仍然在我国能源结构中占据主导地位。采煤机作为综采工作面的关键设备，其截割能力、装煤能力等是衡量其性能的关键参数。采煤机截割部滚筒作为直接与煤层接触的部件，由于工作面煤层、岩层的不均匀性导致其所承受的载荷处于动态变化的情况，进而导致截割部滚筒、摇臂内部齿轮等出现不规则的振动，从而影响截割部的生产效率[1]。本文将针对上述工况通过对采煤机摇臂箱体和齿轮等部件进行优化达到提升截割部动力性能的目的，提高生产效率。

1 采煤机截割现状分析

近年来，综采工作面的生产能力进一步提升，直接表现为采煤机的截割功率由300 kW 提升至2500 kW。采煤机在综采工作面的工作示意图如图1 所示。

图1 综采工作面采煤机工作示意图

由图1 可知，采煤机主要包括截割部、行走部、中间控制箱以及滚筒等。双滚筒采煤机中的前滚筒对采煤机顶板煤层进行截割，后滚筒对底部煤层进行截割；行走部对采煤机的行走方向和速度进行控制；中间控制箱内配置采煤机的通讯系统和控制系统，可对采煤机工作状态进行实时采集并发出控制指令，尤其是对采煤机滚筒的高度、转速的控制及对行走速度、行走方向的控制[2]。

截割部作为采煤机关键部件，其核心为多级齿轮传动系统；同时，采煤机截割部功耗占据整机的80%以上。实践统计表明：截割部的故障占据整机故障的46.15%，其中，截割部中以其传动系统的故障率最高，主要表现为齿轮故障。同时，由于当前采煤机实际工况越发复杂，导致截割部所承受的负载随机性明显，且负载对截割部和整机的冲击较大；截割部的摇臂作为连接滚筒与机身的枢纽，截割部的随机强大负载会对摇臂箱体造成冲击，从而对其内部齿轮的啮合运行造成影响。因此，开展采煤机截割部动力性能优化是十分有必要的。

2 采煤机截割部动力性能优化

通过对采煤机变负载工况下其截割部动态特性进行仿真分析可知：

1）当负载系数从0.2 增大至1.8 时，采煤机截割部各级齿轮的啮频变化幅度较小；而采煤机截割部各级齿轮的啮合齿向误差及其载荷波动系数呈现线性关系[3]。

2）采煤机截割部摇臂的振动强度与截割部电机的转速呈现直接相关关系，负载系数与采煤机摇臂振动强度呈现近似线性关系，随着负载系数的增加振动强度线性增加。

2.1 截割部摇臂箱体结构优化

针对采煤机截割部摇臂箱体的优化，可从尺寸、形状以及拓扑三个层面开展研究。具体步骤如下：通过建立的采煤机截割部摇臂箱体的拓扑优化模型对其结构进行优化，并对最终的优化结果进行评价。

2.1.1 截割部摇臂箱体拓扑优化模型的建立

为保证最终的效果，同时考虑到仿真结果的准确性，可将截割部摇臂箱体的倒角、凹槽、螺孔等位置简化，并对有限元网格模型进行修复。针对采煤机截割部摇臂壳体的拓扑优化模型将其网格尺寸设置为65 mm。

2.1.2 定义优化问题

所谓定义优化问题为对优化模型的相关变量、目标函数和约束条件进行设置。针对采煤机截割部摇臂箱体的优化，定义的优化变量为待优化改进的区域，具体优化变量为采煤机摇臂箱体的固有频率[4]。

目前，采煤机截割部摇臂箱体所选用材料对应的抗拉强度为770 MPa，屈服极限为370 MPa。结合采煤机截割部的实际工况，其在额定工况下对应的载荷为113.43 MPa，在极限载荷工况下对应载荷为212.8 MPa。由此可以得出，采煤机截割部摇臂箱体在额定工况下的安全系数为2.97，在极限工况下的安全系数为1.58。结合相关标准，针对其在极限工况下的安全系数一般为1.5。因此，结合采煤机截割部的实际工况将摇臂箱体优化后在极限载荷条件下不大于224MPa。

2.1.3 结果分析

在上述分析的基础上，将建立的拓扑优化模型采用自带的优化求解器进行仿真分析，并得出如图2 所示的结果。

图2 拓扑优化模型仿真结果

如图2 所示，最低处深色代表相对密度为0.01，最高处稍浅色的相对密度为1。上述仿真结果中，相对密度值越大，说明此处位置对改变摇臂箱体极限载荷的影响越大。通过分析可知：单纯改变图中深色区域对摇臂箱体的极限载荷作用不大，即增加滚筒端的箱体厚度对本次优化无作用；改变图中稍浅色区域对摇臂箱体的优化作用最大，即增加摇臂箱体4 条边的材料对本次优化作用明显[5]。

在上述分析的基础上，对采煤机截割部摇臂箱体作出优化，优化前后的结构对比如图3 所示。

由图3 可以看出，对截割部摇臂箱体结构进行优化后，箱体截面矩形的4 个角面积增大，对应的摇臂4条边的宽度减少；同时，在摇臂轴承孔布置了加强筋。考虑到摇臂滚筒箱体厚度对摇臂固有频率不影响，为降低摇臂的质量，对应减小了摇臂滚筒段的箱体厚度。

图3 截割部摇臂箱体优化前后对比

2.2 优化效果评价

为验证本次拓扑优化的效果，将优化前后的截割部摇臂箱体的模型在平稳随机载荷的工况下进行仿真对比，分别对滚筒支撑轴承孔的位移以及位移的波动情况进行对比，对比结果如表1。

表1 摇臂箱体优化效果验证

如表1 所示，对采煤机截割部摇臂箱体结构进行优化后，在平稳随机工况下摇臂的变形位移明显降低，且变形位移的波动也减小。

3 结论

1）具体优化措施：减少摇臂4 条边的宽度，在摇臂轴承孔布置了加强筋。同时，考虑到摇臂滚筒箱体厚度对摇臂固有频率不影响，为降低摇臂的质量，对应减小了摇臂滚筒段的箱体厚度。

2）经对比，优化后摇臂箱体在同种工况下箱体的变形量降幅为38.8%，变形位移的波动降幅为38.2%。