溫文文

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)、液壓支架俗稱為綜采工作面的“三機(jī)”，承擔(dān)著綜采工作面的主要生產(chǎn)任務(wù)。從某種意義上將，采煤機(jī)的可靠性將直接影響工作面的生產(chǎn)效率和安全性。鑒于綜采工作面相對惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，加之煤層、巖層條件復(fù)雜多變，導(dǎo)致滾筒所承受的載荷處于動態(tài)變化狀態(tài)，并通過搖臂傳遞到整個采煤機(jī)[1]。滾筒功能占采煤機(jī)能耗的90%左右，搖臂作為載荷傳遞的主要機(jī)構(gòu)，開展對搖臂機(jī)構(gòu)可靠性研究，對于后期改進(jìn)采煤機(jī)搖臂結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

1 采煤機(jī)概述

本文將以應(yīng)用大采高薄煤層綜采工作面的MG500/1130-AWD 型采煤機(jī)為例開展研究，該型采煤機(jī)的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 MG500/1130-AWD 型采煤機(jī)主要參數(shù)

MG500/1130-AWD 型采煤機(jī)主要由左右牽引機(jī)構(gòu)、左右截割機(jī)構(gòu)、左右搖臂、電氣控制箱、液壓泵站系統(tǒng)以及左右行走機(jī)構(gòu)等組成。根據(jù)作業(yè)人員的操作區(qū)域?qū)⒉擅簷C(jī)分為操作側(cè)和滾筒側(cè)。其中，操作側(cè)的導(dǎo)向滑靴和滾筒側(cè)的平滑靴與工作面的刮板輸送機(jī)相互配合，在驅(qū)動電機(jī)的作用下，采煤機(jī)齒軌輪與銷軌嚙合，實(shí)現(xiàn)行走功能。當(dāng)采煤機(jī)在工作面完成一個循環(huán)的截割和落煤任務(wù)時，俗稱工作面推進(jìn)一個截深[2]。

采煤機(jī)包括牽引機(jī)構(gòu)、截割機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)和調(diào)高系統(tǒng)等功能部件，各部件功能如下：

1）牽引機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)主要由牽引部和行走箱組成。牽引部中的變頻電機(jī)控制行走箱中的齒軌輪與刮板輸送機(jī)銷軌嚙合，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的行走功能。

2）截割機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)主要由搖臂和截割滾筒組成。其中，搖臂與滾筒之間的齒輪傳動包括有兩級直齒傳動和行星機(jī)構(gòu)傳動。

3）電控系統(tǒng)：該系統(tǒng)為采煤機(jī)的主控系統(tǒng)，包含有高壓開關(guān)箱、變頻器箱、變壓器箱和其他一些連接件。為減緩采煤機(jī)的振動，電控系統(tǒng)均勻分布于不同的電控箱內(nèi)，極大地提升了整體抗干擾能力。

4）調(diào)高系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要由液壓油缸組成，通過對油缸行程的控制，可根據(jù)煤層或巖層的變化，對采煤機(jī)滾筒高度進(jìn)行調(diào)整，避免發(fā)生超挖或者欠挖[3]。

2 采煤機(jī)搖臂的力學(xué)性能分析

2.1 三維模型的搭建

本文將基于SolidWorks 軟件建立采煤機(jī)搖臂的三維模型，為了兼顧計(jì)算速度和精度，在實(shí)際建模過程中對模型進(jìn)行了簡化處理，尤其是對模型中的螺栓、墊圈等零件均進(jìn)行省略處理。本文重點(diǎn)對采煤機(jī)搖臂殼體及其二軸的力學(xué)特性進(jìn)行分析。

搖臂殼體主要由鑄造的殼體主體和相關(guān)的板件焊接材料組成[4]。在實(shí)際建模時，將搖臂殼體視為一個整體，即不對焊縫進(jìn)行考慮。所建立的搖臂殼體的三維模型如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)搖臂殼體三維模型

采煤機(jī)搖臂二軸部件主要由軸齒輪、端蓋、螺栓和墊圈等組成。在實(shí)際建模中對其中的螺栓、墊圈進(jìn)行簡化處理，并對結(jié)構(gòu)中的倒角、圓角等不影響強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理。所建立的采煤機(jī)搖臂二軸部件的三維模型如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)二軸三維模型

2.2 采煤機(jī)搖臂的靜力學(xué)分析

2.2.1 搖臂殼體

本文針對四種不同工況下采煤機(jī)搖臂殼體的靜力學(xué)進(jìn)行分析。所仿真的四種工況分別為工作面煤層傾角為30°時，搖臂擺角分別為0°、42°的正常截割工況和搖臂擺角為42°對應(yīng)的斜切工況，以及工作面煤層傾角為0°時，對應(yīng)搖臂擺角為18°的正常截割工況。

根據(jù)采煤機(jī)搖臂殼體的實(shí)際參數(shù)對模型中材料的彈性模量、泊松比以及密度等進(jìn)行設(shè)置，并將仿真模型中的網(wǎng)格單元設(shè)定為25 mm。參數(shù)設(shè)定完成后，得出在不同工況下采煤機(jī)殼體的變形如表2 所示。

表2 四種工況下采煤機(jī)殼體的變形量和應(yīng)力

分析表2 可知，采煤機(jī)搖臂殼體在四種工況下的變形量均很小，在允許范圍之內(nèi)，采煤機(jī)搖臂所承受的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。因此，可對搖臂殼體的厚度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在保證滿足實(shí)際生產(chǎn)需求的同時，降低搖臂殼體的質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)約采煤機(jī)的運(yùn)行成本。

2.2.2 搖臂二軸

根據(jù)采煤機(jī)搖臂二軸部件的實(shí)際參數(shù)對模型中的材料的彈性模量、泊松比以及密度等進(jìn)行設(shè)置，并將仿真模型中的網(wǎng)格單元設(shè)定為10 mm。參數(shù)設(shè)定完成后，分別對搖臂二軸部件的軸齒輪、二軸以及齒輪的應(yīng)力和變形量進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖3所示。

分析圖3 得出如下結(jié)論：

圖3 有限元仿真結(jié)果

1）搖臂二軸、軸齒輪和齒輪的變形量均很小，而且三個零部件的變形在同一個級別。

2）搖臂二軸、軸齒輪以及齒輪的最大應(yīng)力變化較大。其中，齒輪的應(yīng)力最大為139 MPa，其次為軸齒輪，最大應(yīng)力為56.4 MPa，二軸的最大應(yīng)力僅為10.3 MPa。經(jīng)分析，由于三種不同零件的結(jié)構(gòu)剛度存在明顯差異，導(dǎo)致其最大應(yīng)力差異明顯。因此，需對搖臂二軸、軸齒輪以及齒輪的結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

采煤機(jī)為綜采工作面的主要生產(chǎn)設(shè)備，其可靠性和穩(wěn)定性直接決定煤礦的生產(chǎn)能力。搖臂作為連接采煤機(jī)機(jī)身和滾筒的部件，承擔(dān)著載荷傳遞的作用[5]。因此，保證采煤機(jī)搖臂的可靠性和穩(wěn)定性對于保證整機(jī)的性能尤為重要。本文以MG500/1130-AWD 為例，對搖臂殼體在四種不同工況下的變形量和二軸部件的力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析，并得出如下結(jié)論：

1）采煤機(jī)搖臂殼體在四種工況下的變形量均很小，在允許范圍之內(nèi)。同時，采煤機(jī)搖臂所承受的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。因此，可對搖臂殼體的厚度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2）搖臂二軸、軸齒輪和齒輪的變形量均很小且處于同一級別，但其應(yīng)力變化差距明顯。因此，可通過對搖臂二軸、軸齒輪以及齒輪的結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其應(yīng)力變化處于同一個水平，達(dá)到整機(jī)的平衡。