梁寶英，郤智強(qiáng)，王永清

（1.山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 大同 037003；2.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)白洞礦業(yè)大同有限公司，山西 大同 037003；3.山西大同大學(xué)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院，山西 大同 037009）

螺旋滾筒是現(xiàn)代采煤機(jī)最關(guān)鍵的部件，而螺旋葉片是滾筒的主要零件，承擔(dān)著輸煤和裝煤的主要任務(wù)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)合理與否，直接影響著滾筒的輸煤和裝煤效率以及工作穩(wěn)定性，所以螺旋葉片的壓制成形質(zhì)量尤為重要[1]。不同的采煤機(jī)螺旋滾筒其葉片參數(shù)不同，壓制螺旋葉片模具參數(shù)就要與之相對(duì)應(yīng)。目前所用的螺旋葉片的壓制模具是不可調(diào)節(jié)的，且只有三種規(guī)格，參數(shù)在一定范圍內(nèi)的葉片使用同一個(gè)壓制模具壓制，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)的螺旋滾筒葉片參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)誤差較大，嚴(yán)重影響滾筒工作性能，裝煤效果不理想。

目前國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)采煤機(jī)滾筒螺旋葉片的壓制模具方面有一定研究[2-5]，但這些專(zhuān)家學(xué)者都是對(duì)葉片固定模具相關(guān)的壓制工藝、模具結(jié)構(gòu)、模具尺寸計(jì)算方法等進(jìn)行研究，并未涉及螺旋葉片自動(dòng)調(diào)節(jié)式壓制模具的研究。

螺旋葉片的幾何參數(shù)較多，其中螺旋升角是葉片非常重要的一個(gè)參數(shù)，其大小直接影響滾筒的裝煤效果[6]。因此，本文提出一種螺旋葉片自動(dòng)調(diào)節(jié)式壓制模具，可實(shí)現(xiàn)在不更換采煤機(jī)螺旋滾筒葉片壓制模具的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)壓制模具一些參數(shù)，就可使待壓制的葉片螺旋升角和節(jié)距滿足設(shè)計(jì)要求，從而提高葉片壓制精度、工作效率和自動(dòng)化程度。

1 葉片自動(dòng)調(diào)節(jié)式壓制模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 壓制模具結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

采煤機(jī)滾筒螺旋葉片壓制模具包括一個(gè)上模和一個(gè)下模，上模與下模結(jié)構(gòu)相同，它們主要包括一個(gè)基板、四個(gè)可動(dòng)筋板、一個(gè)固定筋板、四個(gè)電缸、八個(gè)液壓缸、四對(duì)連接板、四個(gè)支撐底座等。其中固定筋板、四對(duì)連接板、四個(gè)支撐底座均固定在基板上，四個(gè)可動(dòng)筋板對(duì)稱(chēng)布置在固定筋板兩側(cè)，并且分別放置在支撐底座圓弧形凹槽中，各通過(guò)一根銷(xiāo)軸與一對(duì)連接板連接，每個(gè)可動(dòng)筋板上各鉸接一個(gè)電缸，通過(guò)電缸可使可動(dòng)筋板繞固定支點(diǎn)擺動(dòng)；每個(gè)可動(dòng)筋板兩端下方各安裝一個(gè)液壓缸，用于支撐可動(dòng)筋板，防止筋板在承受工作載荷時(shí)擺動(dòng)，下模結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 下模結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)啟動(dòng)電缸工作時(shí)，會(huì)推動(dòng)可動(dòng)筋板繞固定支點(diǎn)擺動(dòng)，當(dāng)擺到設(shè)計(jì)角度時(shí)，電缸就停止工作，此時(shí)可動(dòng)筋板兩端下方液壓缸開(kāi)始工作，當(dāng)接觸到可動(dòng)筋板，即停止工作。如果將待壓制螺旋葉片放置在上、下模之間，啟動(dòng)壓力機(jī)，上模移動(dòng)，直到完成葉片的沖壓成形。

1.2 筋板參數(shù)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的螺旋葉片自動(dòng)調(diào)節(jié)式壓裝模具，適合采煤機(jī)滾筒直徑為1.4 ～1.8 m螺旋葉片的壓制。由于上、下模結(jié)構(gòu)一樣，現(xiàn)取上模為研究對(duì)象。葉片寬度一般在400 mm左右，為保證壓制模具能夠完全壓制螺旋葉片，取每塊筋板工作面長(zhǎng)度為460 mm，每塊筋板厚度為50 mm，每?jī)蓚€(gè)相鄰筋板之間夾角取10。將上模向水平方向投影，這五塊筋板在水平投影面上的投影呈扇形，見(jiàn)圖2。

圖2 筋板布置水平投影示意圖

1.3 可動(dòng)筋板擺動(dòng)角度的確定

下面以外徑Dy=1 120 mm、內(nèi)徑Dg=550 mm、螺距Sy=727 mm、外緣升角αy=11°、葉片高度H=550 mm的螺旋葉片為例計(jì)算筋板擺動(dòng)角度。

如圖3 所示為螺旋葉片水平投影圖，其形狀為一扇形，為方便計(jì)算，按照筋板擺放位置10°統(tǒng)一劃線。

圖3 螺旋葉片水平投影（長(zhǎng)度單位：mm）

1）葉片軸向截面圖繪制

由于滾筒螺旋葉片展開(kāi)圖為直角三角形，其中一條直角邊為葉片高度，另一條直角邊為外螺旋線在水平投影下投影圓的弧長(zhǎng)，記為S，由三角函數(shù)關(guān)系可得：

式中：H為葉片高度；αy為外螺旋升角；S為外螺旋線水平投影圓弧長(zhǎng)。

將H=550 mm，αy=11°分別代入式（1），可得S=2 829.5 mm。

螺旋葉片的包角θ（見(jiàn)圖3）為：

式中：Dy為葉片外徑；S為外螺旋線水平投影圓弧。

將S=2 829.5 mm、Dy=1 120 mm 分別代入式（2）得θ=289.5°。

以滾筒筒體軸線為y軸，葉片高度中點(diǎn)為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸建立坐標(biāo)系。下面分別計(jì)算葉片水平投影面包角角度為θ1=10°、θ2=20°處葉片的高度、內(nèi)外徑上點(diǎn)距原點(diǎn)水平距離。設(shè)水平投影面包角為10°、20°處相對(duì)應(yīng)的葉片高度分別記為y1、y2，由一定比例關(guān)系可得：

葉片不同包角處內(nèi)、外徑上點(diǎn)距原點(diǎn)水平距離可由圖3求出。設(shè)圖3中葉片水平投影包角為10°、20°處內(nèi)、外半徑上點(diǎn)距原點(diǎn)的水平距離分別為x1、x2、x3、x4，其值分別為：

由此可得水平投影包角10°、20°處葉片內(nèi)、外徑上的點(diǎn)在xoy坐標(biāo)系上的坐標(biāo)值分別為a（x1，y1）、b（x2，y1）、c（x3，y2）、d（x4，y2），以此類(lèi)推做出不同包角位置處內(nèi)、外徑上點(diǎn)的坐標(biāo)，見(jiàn)表1，并將其用光滑曲線相連，即得螺旋葉片在軸向截面的曲線圖形，見(jiàn)圖4 中實(shí)線圖形。

表1 葉片各計(jì)算參數(shù)

圖4 葉片軸向截面曲線圖

由式（2）可知：葉片螺旋包角θ對(duì)應(yīng)的中間螺旋線弧長(zhǎng)Sm為：

由式（1）可得弧長(zhǎng)Sm對(duì)應(yīng)的中間螺旋升角αm為：

在軸向截面曲線圖上做出其中間螺旋線，見(jiàn)圖4中雙點(diǎn)劃線圖形。

2）筋板擺動(dòng)角度計(jì)算

在實(shí)際壓制中由于壓制模具是按葉片中間螺旋線水平位置放置，故將軸向的截面圖形以對(duì)稱(chēng)點(diǎn)為中心將中間螺旋線旋轉(zhuǎn)至水平，見(jiàn)圖4中雙點(diǎn)畫(huà)線圖形。

對(duì)于中間螺旋線升角直線LN，其方程表達(dá)式為：

式中：A=tanαm，B=-1，C=0

葉片內(nèi)任意點(diǎn)到此直線的距離為：

由式（4）可計(jì)算出在葉片軸向截面曲線圖中內(nèi)、外半徑上各點(diǎn)到以上直線的距離，即內(nèi)外徑各點(diǎn)移動(dòng)高度，見(jiàn)表1。每個(gè)可動(dòng)筋板的調(diào)高距離根據(jù)電缸在筋板上的安裝位置來(lái)計(jì)算，再根據(jù)可動(dòng)筋板的調(diào)高距離即可確定可動(dòng)筋板需要調(diào)節(jié)的擺動(dòng)角度。

2 壓制系統(tǒng)額定負(fù)載的確定

基于ABAQUS 軟件的顯式動(dòng)力學(xué)分析方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)壓制情況采用分段壓制，根據(jù)螺旋葉片成型后變形量確定系統(tǒng)的工作負(fù)載?，F(xiàn)取一種規(guī)格螺旋葉片進(jìn)行分析，螺旋葉片主要參數(shù)見(jiàn)表2，壓制完成的葉片其內(nèi)外徑距中線螺旋線的距離在20～25 mm之間，根據(jù)所壓制葉片成型后參數(shù)構(gòu)建左、右模具的三維模型，其裝配示意圖如圖5所示。

表2 螺旋葉片主要參數(shù)

圖5 裝配示意圖

調(diào)節(jié)式壓制模具及坯料的材料均取Q345B，其力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 Q345B力學(xué)性能

壓制系統(tǒng)整體采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行離散化處理，并對(duì)坯料與模具的接觸面進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化處理，確定網(wǎng)格單元的數(shù)量為52 104。

通過(guò)分析將模具定義為剛體，將坯料定義為彈性體，二者之間采用“通用接觸”的接觸方式。對(duì)模具施加位移約束，根據(jù)模型距離選取合適的位移約束，使得左右模具相互靠近，壓制葉片胚料。約束左側(cè)模具的所有自由度，對(duì)右側(cè)模具施加沿Z軸負(fù)向大小為122.5 mm的位移載荷。葉片坯料位移云圖如圖6。

圖6 壓制過(guò)程葉片坯料位移云圖

提取壓制過(guò)程中隨著位移載荷的施加，模具所受來(lái)自葉片坯料的作用力隨時(shí)間變化，如圖7 所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)作用時(shí)間超過(guò)0.2個(gè)單位時(shí)間時(shí)，模具所受載荷峰值為3 373 kN，因此，取壓制系統(tǒng)額定負(fù)載為34 t。

圖7 模具受力隨時(shí)間變化曲線

葉片應(yīng)力分布圖如圖8所示，由圖可見(jiàn)，坯料在最外側(cè)受應(yīng)力最大，與實(shí)際生產(chǎn)相符合。

圖8 葉片坯料應(yīng)力分布圖

3 壓制模具的靜力學(xué)分析

利用Ansys Workbench 對(duì)葉片調(diào)節(jié)式壓制模具進(jìn)行靜力學(xué)分析[7-8]。由于調(diào)節(jié)式壓制模具的上、下模均由4 組結(jié)構(gòu)相同部件組成，現(xiàn)取下模其中一組螺旋葉片在壓制成型過(guò)程受力最大部件進(jìn)行分析。

3.1 可動(dòng)筋板受力情況

取該組部件可動(dòng)筋板擺動(dòng)角度在15°位置進(jìn)行分析，可動(dòng)筋板主要承受系統(tǒng)壓力F、支撐液壓缸的作用力F1以及支撐底座的作用力F2，其中F=680 kN，F(xiàn)1=16 kN，筋板受力情況如圖9所示。

圖9 筋板受力情況

3.2 幾何模型建立

本文采用Solid187單元，由10個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3 個(gè)自由度，得到26 個(gè)實(shí)體在x、y、z方向上的分布。按照設(shè)計(jì)圖紙尺寸通過(guò)Solidworks 軟件對(duì)所要分析的壓制模具部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，一些較小的尺寸部件以及一些工藝孔、倒角等，由于對(duì)分析結(jié)果影響不大，故可去掉，并在建好的模型上抑制了螺栓銷(xiāo)軸等部件。

3.3 約束參數(shù)設(shè)置

導(dǎo)入幾何模型之后，調(diào)節(jié)式壓制模具在ANSYS中模型的邊界條件見(jiàn)表4。

表4 模型邊界條件

3.4 網(wǎng)格劃分

在ANSYS中一般優(yōu)先選用映射網(wǎng)格劃分，當(dāng)不能使用映射網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮選用自由網(wǎng)格作為補(bǔ)充。定義單元尺寸5，定義劃分質(zhì)量為Medium，對(duì)耳板、銷(xiāo)軸孔、螺栓孔等局部網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，最終節(jié)點(diǎn)數(shù)量為863 122，總單元數(shù)577 205，如圖10所示。

圖10 幾何模型劃分網(wǎng)格圖

定義材料屬性，主基板架與可動(dòng)筋板均為Q345B，液壓缸組件為45#鋼結(jié)構(gòu)，力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 45#鋼力學(xué)性質(zhì)

3.5 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)有限元分析得出其整體部件以及其中各零件的等效應(yīng)力分布圖，如圖11所示。

圖11 等效應(yīng)力圖

由上圖可以看出，整體部件最大應(yīng)力發(fā)生在筋板端部下方圓弧過(guò)渡處，其值為170 MPa，小于可動(dòng)筋板許用應(yīng)力265 MPa，符合靜強(qiáng)度要求。

因此調(diào)節(jié)式模具在靜載荷作用下，能夠安全可靠地工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

采煤機(jī)滾筒螺旋葉片自動(dòng)調(diào)節(jié)式壓制模具，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理，操作方便，可通過(guò)調(diào)節(jié)可動(dòng)筋板擺動(dòng)的角度，使待壓制螺旋葉片螺旋升角精確達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而提高了螺旋葉片壓制精度、效率和自動(dòng)化程度，具有很高實(shí)用價(jià)值和推廣應(yīng)用價(jià)值。