張艷軍，雷美榮

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003）

采煤機(jī)可靠性有限元分析

張艷軍，雷美榮

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003）

針對(duì)大同礦區(qū)的“煤層硬，頂板硬”，6m以上的特厚煤層儲(chǔ)量豐富的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研制了大采高電牽引滾筒采煤機(jī)，為驗(yàn)證該采煤機(jī)的安全性和可靠性，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)其關(guān)鍵零部件和整機(jī)進(jìn)行三維建模，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果表明該采煤機(jī)結(jié)構(gòu)合理，工作穩(wěn)定可靠，為大采高采煤機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

采煤機(jī)；有限元；可靠性

隨著采煤工業(yè)化的發(fā)展,大規(guī)模綜采已經(jīng)成為現(xiàn)代煤炭行業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì),而大規(guī)模綜采必須以采煤機(jī)為基礎(chǔ)[1]。針對(duì)大同礦區(qū)“煤層硬,頂板硬”、6m以上特厚煤層儲(chǔ)量豐富的特點(diǎn),大采高電牽引滾筒采煤機(jī)隨之研制開發(fā)[2]。采煤機(jī)的功能越來越多,其自身的組成越來越復(fù)雜,因而發(fā)生故障的原因也隨之復(fù)雜,如搖臂表面出現(xiàn)裂紋、牽引箱體行走齒輪發(fā)生斷裂、行星架破壞等諸多問題。

為此,驗(yàn)證該采煤機(jī)的安全性和可靠性至關(guān)重要。虛擬樣機(jī)技術(shù)是近些年來設(shè)計(jì)與分析產(chǎn)品的一項(xiàng)新技術(shù),該技術(shù)采用有限元分析的方法來分析采煤機(jī)的可靠性與安全性,是對(duì)采煤機(jī)設(shè)計(jì)和工業(yè)性試驗(yàn)的一個(gè)重要補(bǔ)充,可以通過較少的代價(jià)獲取采煤機(jī)設(shè)計(jì)和分析的理論依據(jù)。

1 采煤機(jī)關(guān)鍵零部件有限元分析

1.1 采煤機(jī)搖臂的有限元分析

圖1 搖臂三維模型圖

運(yùn)用SOLIDWORKS軟件對(duì)采煤機(jī)搖臂建立三維實(shí)體模型,如圖1。然后采用自由網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分,由于采煤機(jī)搖臂模型比較大,為了提高計(jì)算效率,采用高配置計(jì)算機(jī),對(duì)于網(wǎng)格尺寸比較大的部位,進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,使得網(wǎng)格劃分合理，得到四面體單元網(wǎng)格，見圖2。

圖2 搖臂劃分網(wǎng)格圖

然后將搖臂模型以igs形式導(dǎo)入ANSYS軟件中,定義材料為鑄鋼,彈性模量設(shè)為2.1e+11,泊松比為0.27。最后加載,搖臂所受的極限荷載為Fx＝1 000 KN,Fy＝250 KN,Fz＝800 KN。滾滾筒具有一定質(zhì)量,因此不能忽略,其重力根據(jù)實(shí)際情況添加在搖臂與滾筒的連接處，求解結(jié)果，見圖3，圖4。

圖3 搖臂應(yīng)力分布云圖

有限元分析結(jié)果如圖3，圖4所示,由圖3知,支撐耳處最大應(yīng)力達(dá)到150 Mpa左右,行星頭處最大應(yīng)力也達(dá)到了140 Mpa左右,在搖臂殼體上最大孔處出現(xiàn)最大應(yīng)力188 Mpa,在表面狀改變比較大的地方,應(yīng)力也很大,達(dá)到了170 Mpa左右,由材料力學(xué)知,這些部位應(yīng)力集中程度比較高,應(yīng)力應(yīng)該比較大,和有限元分析結(jié)果一致。最大應(yīng)力是小于材料屈服強(qiáng)度的,因此搖臂設(shè)計(jì)是合理的。

圖4 搖臂位移分布云圖

由圖4知,搖臂最大位移處在搖臂的行星頭處,最大位移為5mm,符合設(shè)計(jì)要求。

1.2 采煤機(jī)滾筒有限元分析

圖5 滾筒三維模型圖

圖6 滾筒網(wǎng)格劃分圖

圖7 滾筒應(yīng)力分布云圖

由圖7知：滾筒的最大應(yīng)力為751 MPa,低于滾筒材料的許用應(yīng)力,最大應(yīng)力分布在葉輪和滾筒相接處,符合實(shí)際情況,其他地方應(yīng)力均在85 MPa左右。

1.3 采煤機(jī)齒軌輪有限元分析

采煤機(jī)齒軌輪破壞是采煤機(jī)常見故障。牽引電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu),把動(dòng)力傳給齒軌輪,齒軌輪再與輸送機(jī)上齒排嚙合,提供采煤機(jī)前進(jìn)的動(dòng)力。可見,齒軌輪作為一個(gè)關(guān)鍵零部件,負(fù)載很重,對(duì)齒軌輪進(jìn)行有限元分析是很有必要的。

用SOLIDWORKS建立齒軌輪有限元最終模型，見圖8。然后定義材料屬性,材料的彈性模量為2.1e+11,泊松比為0.27,然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格化后節(jié)點(diǎn)總數(shù)為321 601,單元總數(shù)為180 786,得到網(wǎng)格模型圖，見圖9。齒輪上的扭矩為35 9491 N·m,對(duì)軸向、徑向移動(dòng)進(jìn)行約束,最后進(jìn)行求解,求解結(jié)果見圖10。

圖8 齒輪三維模型圖

圖9 齒輪網(wǎng)格模型圖

圖10 齒輪應(yīng)力分布云圖

結(jié)果顯示：齒輪的最大應(yīng)力為845MPa,低于齒輪材料的許用應(yīng)力,最大應(yīng)力分布在齒輪嚙合處。

1.3 采煤機(jī)行星架有限元分析

用SOLIDWORKS建立行星架有限元最終模型，見圖11。然后定義材料屬性,材料的彈性模量為2.1e+11,泊松比為0.27,然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格化后節(jié)點(diǎn)總數(shù)為423 601,單元總數(shù)為220 981,得到網(wǎng)格模型圖，見圖12。行星架孔內(nèi)表面設(shè)定為圓柱約束,并對(duì)軸向、徑向移動(dòng)進(jìn)行約束,最后進(jìn)行求解,求解結(jié)果，見圖13。

圖11 行星架三維模型圖

圖12 行星架網(wǎng)格劃分圖

圖13 行星架應(yīng)力分布云圖

結(jié)果顯示：行星架的最大應(yīng)力為3.72 MPa,低于行星架材料的許用應(yīng)力,最大應(yīng)力分布在孔內(nèi)壁處,其他地方應(yīng)力均在0.172MPa左右。

2 采煤機(jī)整機(jī)有限元分析

采煤機(jī)整機(jī)由截割部,牽引部,行走部,中間框架等幾個(gè)大部分構(gòu)成。首先分別對(duì)幾大部分進(jìn)行建模裝配,然后再把組件裝配成整機(jī),達(dá)到整機(jī)建模的目的。用SOLIDWORKS建立采煤機(jī)的各零部件模型,然后進(jìn)行裝配得到的裝配體,即采煤機(jī)整機(jī)三維模型圖,見圖14。然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到采煤機(jī)整機(jī)網(wǎng)格劃分圖,見圖15。加載進(jìn)行求解,得到采煤機(jī)整機(jī)應(yīng)力分布云圖,見圖16。

圖14 采煤機(jī)整機(jī)三維模型圖

圖15 采煤機(jī)整機(jī)網(wǎng)格劃分圖

圖16 采煤機(jī)整機(jī)應(yīng)力分布云圖

結(jié)果顯示采煤機(jī)各處應(yīng)力分布均勻,最大應(yīng)力不超過117.8 MPa,滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

采用虛擬樣機(jī)技術(shù),對(duì)采煤機(jī)關(guān)鍵零部件及整機(jī)進(jìn)行有限元分析,得到搖臂、滾筒、齒軌輪、行星架及采煤機(jī)整機(jī)的應(yīng)力云圖或位移云圖,結(jié)果顯示關(guān)鍵零部件及整機(jī)是滿足強(qiáng)度或剛度要求的,證明采煤機(jī)初始設(shè)計(jì)是合理的。

[1]廉自生,劉楷安.采煤機(jī)搖臂虛擬樣機(jī)及其動(dòng)力學(xué)分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2005（6）：803-804.

[2]楊濤.大采高電牽引采煤機(jī)截割部虛擬樣機(jī)技術(shù)及關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)有限元分析[D].太原：太原理工大學(xué)，2009.

[3]趙麗娟,劉旭南,呂鐵亮.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的采煤機(jī)截割部可靠性研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（5）：738-746.

[4]邵俊杰.采煤機(jī)數(shù)字化建模與關(guān)鍵零部件有限元分析[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

[5]劉送永.采煤機(jī)滾筒截割性能及截割系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

[6]紀(jì)玉祥,張志鴻.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的采煤機(jī)仿真[J].現(xiàn)代制造工程，2008（3）：47-49.

[7]吳衛(wèi)東,安興偉.基于ANSYS的采煤機(jī)搖臂的有限元分析[J].煤礦機(jī)械，2009（3）：77-79. [8]周娟利.采煤機(jī)截割部動(dòng)力學(xué)仿真[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

〔責(zé)任編輯 石白云〕

Finite Element Analysis of the Reliability of CoalW inning Machine

Z HANG Yan-jun,L EI Mei-rong
（1.Schoo l of Coal Engineering,Shanxi Da t ong University，Da t ong Shan x i,037003）

In D atong coalmining hard coal,hard roof,the special thick coal seam which is 6 meters above is abundant,the company designs coalwinningmachine which is of largemining height,to testand verify the security and reliability of the shearer,its key parts and the wholemachine is 3D modeling and finite element analy zecl,the results show that the structure of the coal winning machine is reasonable,stable and reliable，which provides theory basis for structure design of the Coalwinningmachine.

coalwinningmachine；finite element；reliability

TD82

A

2013－08－08

張艷軍（1982－），男，山西朔州人，碩士，講師，研究方向：高速飛行器空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析。

1674-0874（2013）05-0069-03