盧閆滿

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

引言

我國煤炭資源儲量豐富，分布較為分散，因地質(zhì)條件差異，各地的煤層硬度厚度等存在較大的差異[1]。采煤機內(nèi)齒圈與搖臂連接組件作為采煤機掘進工作的重要結(jié)構(gòu)[2-3]，直接關(guān)系著采煤機工作以及企業(yè)的產(chǎn)能和效率，得到了煤炭行業(yè)的廣泛關(guān)注[4]。內(nèi)齒圈與搖臂連接組件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，傳統(tǒng)設(shè)計計算工作繁重，周期較長，但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機仿真技術(shù)應(yīng)運而生，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，取得了很好的效果[5-6]。因此，針對某型號采煤機截割較硬煤層時內(nèi)齒圈與搖臂連接組件經(jīng)常出現(xiàn)故障的問題，借助ANSYS 有限元仿真開展其強度分析。

1 采煤機內(nèi)齒圈與搖臂連接組件分析

搖臂作為采煤機煤炭掘進工作功能實現(xiàn)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅需要考慮底座連接結(jié)構(gòu)，還需考慮截割滾筒結(jié)構(gòu)，故而將其設(shè)計成分體式結(jié)構(gòu)。常用的采煤機內(nèi)齒圈與搖臂之間采用高強度螺栓連接，具體連接方法如下：內(nèi)齒圈的連接端為法蘭結(jié)構(gòu)，與搖臂殼體對應(yīng)法蘭盤對接，通過22 個高強度普通螺栓連接在一起。因受到采煤機內(nèi)齒圈和滾筒結(jié)構(gòu)尺寸、安裝空間的限制，內(nèi)齒圈連接端部法蘭位置的螺栓孔采用沉孔結(jié)構(gòu)，節(jié)省螺栓連接空間，滿足采煤機整體結(jié)構(gòu)連接的要求。

2 有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

采煤機內(nèi)齒圈與搖臂連接組件連接采用了22支高強度螺栓，運用SolidWorks 三維軟件完成內(nèi)齒圈與搖臂連接組件的模型建立。因內(nèi)齒圈與搖臂連接組件實際模型較為復(fù)雜，為了提高仿真計算的效率，對內(nèi)齒圈、螺栓進行了實際結(jié)構(gòu)繪制，搖臂僅建立了其與內(nèi)齒圈連接部分，同時將徑向定位套與搖臂殼體做成一體。

2.2 材料屬性設(shè)置與網(wǎng)格劃分

完成內(nèi)齒圈與搖臂連接組件三維模型建立之后另存為.igs 格式文件導(dǎo)入ANSYS 仿真計算軟件進行材料屬性設(shè)置，具體設(shè)置參數(shù)如下：內(nèi)齒圈材料牌號為42CrMo，屈服強度為930 MPa，計算許用應(yīng)力為465 MPa；GB/T6190 普通螺栓剪切強度為400 MPa，計算許用應(yīng)力為80 MPa；定位套材料牌號為ZG310-570，屈服強度為310 MPa，計算許用應(yīng)力為155 MPa。選擇solid92 實體單元類型，采用自由劃分網(wǎng)格方法完成內(nèi)齒圈與搖臂連接組件的網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 內(nèi)齒圈與搖臂連接組件有限元分析模型

2.3 載荷及邊界條件處理

采煤機內(nèi)齒圈與搖臂連接組件工作時的受力狀態(tài)較為復(fù)雜，本次仿真分析計算重點部位是連接組件之間的受力，僅對極限工作情況進行仿真分析。滾筒工作時的最大截割阻力約為50 kN，最大推進阻力約為40 kN，最大軸向力約為45 kN。內(nèi)齒圈輸入的行星輪扭矩約為2 500 N·m。基于上述載荷數(shù)據(jù)，在ANSYS 仿真計算軟件中進行載荷施加。相鄰搖臂實體之間的連接面設(shè)置為固定約束，各個組件之間設(shè)置為接觸對，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3。

2.4 仿真結(jié)果

完成內(nèi)齒圈與搖臂連接組件有限元仿真分析前處理工作即可啟動ANSYS 仿真計算軟件自帶求解器進行仿真計算，提取各個組成部件的仿真計算結(jié)果，如圖2、圖3、圖4 所示，分別為空心軸套、連接法蘭和螺栓極端工況下的應(yīng)力分布云圖。由圖2 和圖3 可以看出，空心軸套和連接法蘭的最大工作應(yīng)力均為95.8 MPa，位置出現(xiàn)在螺栓孔的邊緣位置，相較于空心軸套材料的許用應(yīng)力155 MPa 較小，具有足夠的安全裕度。

圖2 空心軸套應(yīng)力（Pa）分布云圖

圖3 連接法蘭應(yīng)力（Pa）分布云圖

圖4 連接螺栓應(yīng)力（Pa）分布云圖

由圖4 連接螺栓組的應(yīng)力分布云圖可以看出，連接螺栓工作過程中所受的最大應(yīng)力值為107 MPa，在空心軸套和連接法蘭出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置，相較于GB/T 6190—1986 下的普通螺栓材料的許用應(yīng)力80 MPa，實際工作時螺栓承受的最大應(yīng)力超出了27 MPa，存在明顯的強度不足問題，使用過程中極易出現(xiàn)螺栓剪斷或者斷裂情況，造成嚴重的事故。因此，對螺栓尺寸與材料進行優(yōu)化改進，以便提高內(nèi)齒圈與搖臂連接組件的螺栓強度，提高采煤機工作的可靠性。

3 改進設(shè)計

3.1 改進方法

實際工程應(yīng)用過程中出現(xiàn)連接螺栓強度不足的問題時改進方法通常包括以下幾種：第一是增大原材質(zhì)螺栓的直徑，提高其抗拉強度，進而保證連接組件之間足夠的正壓力；第二是保持原螺栓尺寸，選擇材料更好的螺栓，以便提高連接螺栓的整體力學(xué)性能；第三是增加原有連接螺栓的個數(shù)，以便降低單個連接螺栓的工作載荷，確保各個連接螺栓的工作安全。考慮連接螺栓改進對于內(nèi)齒圈與搖臂連接組件整體結(jié)構(gòu)的影響程度，此處選擇第二種改進方法，保持原螺栓尺寸不變，選擇力學(xué)性能更好的螺栓組。參照GB/T 6191—1986，重新確定了連接螺栓，材料的屈服強度為830 MPa，計算許用應(yīng)力為166 MPa，基于上述仿真分析結(jié)果，該螺栓足以滿足內(nèi)齒圈與搖臂連接組件可靠工作的要求。

3.2 改進效果

在內(nèi)齒圈與搖臂連接組件仿真計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，重新選擇了性能更好的連接螺栓，以便提高連接組件的安全性。為了驗證更換螺栓之后的內(nèi)齒圈與搖臂連接組件的工作性能，將其應(yīng)用于某型號采煤機中，進行了為期半年的跟蹤記錄。應(yīng)用結(jié)果表明，內(nèi)齒圈與搖臂連接組件工作穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)連接螺栓問題。相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果顯示，相較于普通連接螺栓，采用高強度螺栓之后的內(nèi)齒圈與搖臂連接組件故障率降低近12%，降低了日常維護維修工作量近6%，采煤機的有效工作時間提高近10%，預(yù)計為企業(yè)新增經(jīng)濟效益近100 萬元/年，取得了很好的改進效果。

4 結(jié)語

1）內(nèi)齒圈與搖臂連接組件經(jīng)常出現(xiàn)故障的原因是連接螺栓強度不足。

2）通過更換力學(xué)性能，將螺栓的對內(nèi)齒圈與搖臂連接組件進行改進后，內(nèi)齒圈與搖臂連接組件運行穩(wěn)定可靠，解決了經(jīng)常出現(xiàn)故障的問題。