李俊杰

(山西潞安化工集團 左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司，山西 左權(quán) 032600)

0 引 言

采煤機是煤礦開采過程中非常關鍵和重要的機械裝備，其運行可靠性會對煤礦開采質(zhì)量和效率產(chǎn)生直接影響[1]。 近年來，隨著我國社會對煤炭資源需求量的快速提升，煤礦領域技術(shù)水平獲得了快速發(fā)展，對采煤設備的技術(shù)要求也越來越高[2]。 截割部是采煤機的關鍵構(gòu)成部分，它由電機驅(qū)動，電機輸出的動力需經(jīng)過減速器傳入到截割頭中，實現(xiàn)截割頭的高速旋轉(zhuǎn)[3]。 截割部減速器箱體運行時如果出現(xiàn)故障問題必然會影響采煤機運行的安全性。 由于煤礦工作環(huán)境復雜，截割頭工作時不可避免地會承受沖擊性載荷，這些作用力均會傳入減速器箱體中，嚴重時對減速器箱體造成破壞[4]。 在開展減速器結(jié)構(gòu)設計時，設計人員通常會通過增加箱體結(jié)構(gòu)尺寸的方式提升其可靠性，這些方式通常會導致結(jié)構(gòu)不科學、不合理。

筆者針對減速器箱體結(jié)構(gòu)設計方面的不足之處，基于有限元方法對采煤機截割減速器進行受力分析，在此基礎上對其結(jié)構(gòu)上的不足進行優(yōu)化改進，以達到減輕結(jié)構(gòu)件整體重量和降低加工成本的效果。

1 截割減速器有限元建模

1.1 重點分析內(nèi)容

采煤機截割部減速器箱體是重要的機械結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設計的合理性不僅影響運行的可靠性，也會影響生產(chǎn)加工成本。 利用Ansys 有限元方法對采煤機截割減速器進行靜力學分析，通過有限元分析可以獲得減速器箱體在工作時的受力和位移變形情況，進而分析減速器箱體結(jié)構(gòu)的合理性，找到結(jié)構(gòu)設計方面存在的問題。 在此基礎上可以實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進，降低結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)加工成本。

有限元分析方法的主要流程為:三維模型建立→仿真環(huán)境→材料參數(shù)定義→網(wǎng)格劃分→分析類型選擇→載荷和約束條件設置→求解參數(shù)設置→求解→后處理[5]。 以下對建模中的關鍵步驟進行介紹。

1.2 有限元模型建立

以MG800/2040WD 型采煤機為例進行分析。Ansys 軟件三維建模能力較差，所以需要利用Solid-Works 軟件建立三維模型。 為了確保模型計算的精確性，建模時嚴格按照截割減速器箱體尺寸建模。 為了簡化計算過程，可對結(jié)構(gòu)中的一些細小結(jié)構(gòu)，比如倒角、倒圓等進行省略處理。 已有的經(jīng)驗表明，這種省略方式不會對最終結(jié)果精度產(chǎn)生明顯影響[6]。

將建立的幾何模型通過中間格式IGE 導入到Ansys 軟件中。 首先對其進行網(wǎng)格劃分，軟件中提供了多種類型的網(wǎng)格，不同網(wǎng)格會對計算過程和結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。 本案例結(jié)合實際情況選用的是四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸由軟件根據(jù)模型整體結(jié)構(gòu)尺寸自動確定，最終劃分得到的網(wǎng)格單元和節(jié)點數(shù)量分別為11 324 和13 293 個。 材料屬性方面，截割減速器的加工材料為HT200，查閱材料手冊，該材料的彈性模量和泊松比分別為200 GPa 和0.3，密度大小為7 980 kg/m3，屈服強度為200 MPa。 有限元模型如圖1 所示。

圖1 采煤機截割減速器的有限元模型

2 截割減速器受力結(jié)果分析

2.1 結(jié)果分析

對完成的有限元模型求解后，調(diào)用后處理程序進行結(jié)果分析。 文中重點提取了采煤機截割減速器的結(jié)構(gòu)件應力分布云圖。 如圖2 所示為采煤機截割減速器的有限元分析結(jié)果。 由圖可知，減速器整體受力雖不大，卻呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，圓筒部位的整體受力比較小，端部位置的受力相對較大，局部位置出現(xiàn)了一定的應力集中現(xiàn)象，具體為軸承座部位附近，應力最大值為71.243 MPa。

圖2 截割減速器有限元分析結(jié)果

2.2 存在問題

MG800/2040WD 型采煤機截割減速器箱體的加工材料為HT200，該型號材料的屈服強度σb為200 MPa。 理論而言，減速器箱體使用時最大應力控制在200 MPa 范圍內(nèi)即可。 但在機械工程中，為了提升結(jié)構(gòu)件的可靠性，通常會設置n＝1.5 的安全系數(shù)，根據(jù)σmax＝σb/n可以計算得到減速器箱體的許用應力σmax為133.33 MPa。 基于上文分析可知，減速器的最大應力只有71.243 MPa，計算的結(jié)果雖然遠遠低于材料實際的使用應力，但能更好地保障結(jié)構(gòu)件的運行穩(wěn)定性和可靠性。 出現(xiàn)這種情況的原因在于設計階段過分追求可靠性，將結(jié)構(gòu)的厚度、寬度等設置過大。 不僅使整個機械裝備過于笨重，還會在一定程度上造成材料浪費，增加機械結(jié)構(gòu)的加工成本。

3 截割減速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進方案

3.1 優(yōu)化方案

由于本次是對已經(jīng)成型的采煤機截割減速器進行優(yōu)化，因此不宜做過大的改動，只做小范圍調(diào)整。通過對截割減速器進行受力分析發(fā)現(xiàn)，只有端部位置的受力較大，圓筒部位的受力非常小。 所以可以適當降低圓筒部位的結(jié)構(gòu)尺寸，以降低減速器整體的質(zhì)量。 圖3 所示為截割減速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化對象示意圖，可以看出，主要是以圓筒部位的凸臺厚度Y1，圓筒邊部和中間部位的厚度Y2 和Y3 為優(yōu)化對象。 以上三個參數(shù)的初始值分別為60、75 和80 mm，此次優(yōu)化范圍為初始值的±10%。 為了保證減速器優(yōu)化后運行的可靠性，優(yōu)化的約束條件為減速器最大應力不超過材料的許用應力，優(yōu)化目標為保證結(jié)構(gòu)件的重量最低，以降低采煤機整體重量，節(jié)約生產(chǎn)加工成本。

圖3 截割減速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化對象示意圖

3.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化改進方案，利用Ansys 軟件建模并開展優(yōu)化改進工作，基本方法是在三個優(yōu)化對象取值范圍內(nèi)分別取值，根據(jù)取值結(jié)果建立有限元模型并分析，將不同模型的結(jié)果進行對比確定最優(yōu)結(jié)果。 最終最優(yōu)結(jié)果Y1、Y2 和Y3 的取值分別確定為54、67.5 和72 mm，可以看出，優(yōu)化對象的尺寸與前期相比均出現(xiàn)了不同程度地降低，降低幅度均為10%，即優(yōu)化對象的取值均為優(yōu)化范圍的最小值。 如圖4 所示為截割減速器優(yōu)化后的受力情況，由圖可知，優(yōu)化后減速器的最大應力值有所增加，為85.467 MPa，但仍然在HT200 材料的許用應力值范圍以內(nèi)，能有效保障結(jié)構(gòu)件服役的可靠性。 優(yōu)化改進前，采煤機截割減速器的重量為5 555.5 kg，優(yōu)化改進后，由于圓筒及其凸臺的厚度結(jié)構(gòu)尺寸均有所降低，因此對應的重量出現(xiàn)了一定程度地降低，最終結(jié)果為5 197.6 kg，降低幅度為6.45%。 機械結(jié)構(gòu)件重量與加工成本之間存在一定關系，質(zhì)量降低意味著加工成本降低。

圖4 截割減速器優(yōu)化后的受力情況

4 優(yōu)化后截割減速器應用效果分析

按照以上所述的截割減速器優(yōu)化改進方案加工對應的產(chǎn)品，并將其運用到MG800/2040WD 采煤機工程實踐中。 由于沒有對減速器結(jié)構(gòu)的外形規(guī)格尺寸做過大的改動，所以在實際應用時整體運行良好。目前結(jié)構(gòu)件在工程中運行時間超過半年，經(jīng)現(xiàn)場人員反饋，并沒有出現(xiàn)明顯的故障問題，驗證了優(yōu)化改進方案的科學性和合理性。 對于重型機械結(jié)構(gòu)件，材料成本通常占60%以上。 通過此次優(yōu)化改進，使材料質(zhì)量降低了6.45%，意味著結(jié)構(gòu)的加工成本會出現(xiàn)大幅度降低，為企業(yè)節(jié)省了一定的生產(chǎn)加工成本，取得了良好的經(jīng)濟效益，獲得了企業(yè)技術(shù)人員的一致好評。

5 結(jié) 語

以MG800/2040WD 型采煤機截割減速器為研究對象，利用Ansys 有限元軟件對其進行分析，并對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。 所得結(jié)論主要有:對截割減速器進行有限元分析，發(fā)現(xiàn)受力存在一定的不均勻性，軸承座附近出現(xiàn)了一定的應力集中現(xiàn)象，最大應力低于材料的許用應力；以圓筒邊部和中間部位的厚度、圓筒凸臺厚度為優(yōu)化對象，以最大應力為約束條件，以整體質(zhì)量為優(yōu)化目標，利用Ansys 軟件開展優(yōu)化改進工作，在保障結(jié)構(gòu)件運行可靠性的條件下，使其質(zhì)量降低了6.45%；將優(yōu)化改進后的截割減速器部署到煤礦工程實踐中，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試后投入使用，發(fā)現(xiàn)效果良好，未出現(xiàn)明顯故障問題，降低了減速器的加工成本。