張苗苗，王義亮，楊兆建

（1.太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

刮板輸送機是煤礦機械中關鍵的設備之一，而中部槽作為刮板輸送機的機身，是刮板輸送機的主要部件，同時也是最容易損壞的部件之一[1]；中部槽的連接依靠啞鈴銷，若啞鈴銷損壞，則刮板輸送機無法運轉(zhuǎn)[2]。所以，為了提高刮板輸送機的壽命，對中部槽和啞鈴銷進行受力分析，以確定兩者容易損壞的位置。

目前，國內(nèi)外對于中部槽-啞鈴銷的連接體系的研究比較單一：例如廖昕、張建潤研究了采煤機三種極限工況下中部槽與啞鈴銷強度非線性分析；張東升、于海洋研究了在刮板輸送機推溜工況下中部槽組與啞鈴銷下的動力學仿真，得出兩者最大接觸應力發(fā)生部位并通過實驗進行驗證；郝勇等通過對實際工況中部槽進行分析，建立了推溜、拉架兩種工況下的力學模型[3-5]。針對以上的研究，不難發(fā)現(xiàn)，他們研究中部槽-啞鈴銷連接體系的側(cè)重點主要集中于典型極限工況下的非線性分析。但在實際的采煤、運煤過程中，中部槽作為采煤機主要的承載部件，其本身的重量及前后滾筒割煤時遇到的阻力通過力的傳遞對中部槽-啞鈴銷連接體系有著很大的影響。在不影響計算結(jié)果的基礎上適當簡化模型[6-7]。以中部槽、啞鈴銷為對象，研究在采煤機直線行走時兩者的受力情況，并對薄弱環(huán)節(jié)加以分析，為中部槽、啞鈴銷的結(jié)構(gòu)改進提供依據(jù)，以達到延長其使用壽命的目的。

2 受力來源分析

2.1 采煤機整機動力學模型建立

刮板輸送機結(jié)構(gòu)比較復雜，在進行多體動力學分析時，只保留與采煤機相接觸的部件，即中部槽鏟煤板與銷軌，并在三維建模軟件UG中建立相應模型，采煤機與簡化的刮板輸送機的動力學模型，如圖1所示。

圖1 采煤機、刮板輸送機模型圖Fig.1 Model Diagram of Shearer and Scraper Conveyor

2.2 約束及接觸的添加

對采煤機、銷軌和鏟煤板添加必要的約束，以滿足采煤機的正常行走，計算接觸力的各參數(shù)需要在ADAMS軟件中設定，接觸剛度系數(shù)根據(jù)赫茲接觸理論計算得到[8]。接觸參數(shù)的選擇會直接影響到仿真效果，其中接觸剛度K及最大阻尼C可以通過以下公式進行估算，接觸剛度：

其中：

式中：R1、R2—兩物體的曲率半徑；E1、E2—兩構(gòu)件的彈性模量；u1、u2—兩構(gòu)件的泊松比；

最大阻尼C：

式中：Y—材料的屈服強度；ρ—材料的密度；v—齒面嚙合碰撞速度；e—碰撞恢復系數(shù)；δ—接觸面的法向變形量；a—非線性阻尼力冪指數(shù)。

2.3 結(jié)果分析

采煤機前后滾筒截煤時，前滾筒逆時針截煤，根據(jù)反作用力，則受到向上的截割阻力，同理，后滾筒受到向下的截割阻力，由此可知，采煤機后半部分作用在中部槽上的力較大。進行整機動力學仿真，得到受力曲線圖，后平滑靴Z向受力曲線圖（X向與Y向受力較小已忽略）如圖2所示；因為導向滑靴與行走輪皆與銷軌接觸，所以將兩者的力求和作用在銷軌上。導向滑靴、行走輪與3節(jié)銷軌的接觸力，將以上兩種力作為中部槽所受外載荷，如圖3所示。

圖2 平滑靴Z向力Fig2 Z-Direction Force of Smooth Boots

圖3 導向滑靴、行走輪與銷軌接觸力Fig3 Contact Force between Guide Slipper Walking Wheel and Pin-rail

3 動力學分析

3.1 接觸模型

在采煤機實際行走過程中，要走過多節(jié)中部槽，為使研究的問題更貼近實際情況，取3節(jié)中部槽、兩進行動力學分析。平滑靴、銷軌、銷軌座以簡化模型作用在中部槽上。為了更準確地模擬采煤機行走時對中部槽和啞鈴銷的影響，假設煤巖地面是平整的，即在模型中用底板模擬。由于中部槽模型復雜，故以中間中部槽和前后啞鈴銷為研究對象，兩側(cè)中部槽模型簡化，以方后續(xù)便計算，如圖4所示。

圖4 啞鈴銷、中部槽裝配模型圖Fig.4 Assembly Model Drawing of Dumbbell Pin and Middle Groove

3.2 有限元模型生成

為模型設置單元類型、賦予材料屬性，劃分網(wǎng)格等[9]。建立有限元模型，如圖5所示。其中，所有模型均賦予SOLID164單元，將中部槽、啞鈴銷、底板設置為彈塑性體，平滑靴、銷軌、銷軌座設置為剛體[10-11]。在采煤機直線行走作業(yè)時，中部收稿槽受到的力主要來自采煤機、底板支持力等。啞鈴銷受到中部槽施加的彎矩，但它屬于內(nèi)部力矩[12]。在動力學分析中，三節(jié)銷軌分別受Y向力與Z向力，平滑靴受Z向力，三節(jié)銷軌所受的力按時間順序分別作用在對應銷軌面以模擬采煤機行走時施加在中部槽上的力，賦予平滑靴一個采煤正常行走時的恒定速度0.28m∕s。

圖5 有限元模型Fig.5 Finite Element Model

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1 中部槽受力分析

通過整理計算數(shù)據(jù)，得到不同時刻中部槽、啞鈴銷接觸應力云圖、及應力、位移曲線。為了更清楚的研究采煤機對中部槽、啞鈴銷的作用效果，選取三個不同時刻的結(jié)果進行分析，即采煤機分別走過第一、第二、的三節(jié)銷軌，平滑靴位于中部槽鏟煤板三個不同位置的時刻進行結(jié)果分析，如圖6所示。

圖6 中部槽等效應力云圖Fig.6 Equivalent Stress Nephogram of Middle Groove

2.7s時中部槽應力云圖，如圖6（a）所示。此時，平滑靴位于中間中部槽左側(cè)鏟煤板，行走輪及導向滑靴行走在第一節(jié)銷軌，依次類推，4.9s和7.2s時的應力云圖，分別是時間為這兩個時刻的平滑靴位置分別為中部槽鏟煤板中間和鏟煤板右側(cè)，如圖6（b）、圖6（c）所示。三個應力云圖可知，高應力部位主要集中在啞鈴窩凹凸端頭、鏟煤板和肋板交界處。啞鈴窩凹凸端頭高應力來源主要有兩個方面，一方面，中部槽凹凸端頭之間需要相互搭接，凸端頭需要搭接在凹端頭上以便于啞鈴銷連接，而中部槽在Y向力的作用下的相互移動會導致凹凸端頭之間產(chǎn)生力，產(chǎn)生力的作用面分別為凸端頭的外側(cè)及凹端頭的內(nèi)側(cè)。由三個應力云圖可知，端頭處高應力部位與理論分析得出高應力部位是一致；另一方面，啞鈴銷與中部槽凹凸端頭的相互擠壓也是產(chǎn)生高應力的原因之一，中間中部槽與鏟煤板側(cè)兩節(jié)啞鈴銷縱向位移圖，如圖7所示。由圖中可以看出，中部槽的X向位移總體小于啞鈴銷的X向位移，所以，兩者之間一定存在著相互擠壓力。另一個高應力出現(xiàn)的位置是鏟煤板側(cè)肋板根部，且高應力位置隨著平滑靴的移動而變換位置，由于平滑靴對鏟煤板向下的作用力，迫使鏟煤板向下產(chǎn)生變形，而肋板的作用則是阻止這種變形，所以出現(xiàn)了高應力部位。對于后槽幫，由圖4可知，作用于銷軌上的Z向力相比于作鏟煤板上的力要小得多，所以它對中部槽、啞鈴銷的影響是比較小的，高應力區(qū)域基本沒有出現(xiàn)。

圖7 位移曲線Fig.7 Displacement Curve

選取左、右側(cè)啞鈴窩及5節(jié)肋板根部的典型應力單元，其中數(shù)字表示5個肋板根部的典型應力單元，應力曲線圖，如圖8所示。由圖可以看出，左右側(cè)啞鈴窩受力曲線明顯高于肋板根部，這也導致啞鈴窩成為最容易損壞的部位。由以上分析可知，啞鈴窩、肋板根部為中部槽主要損傷部位，這與實際工況下中部槽斷裂位置一致，實際工況下中部槽斷裂位置，如圖9所示。

圖8 典型單元應力曲線圖Fig.8 Stress Curve of Typical Elements

圖9 實際工況下中部槽斷裂位置Fig.9 Fracture Location of Middle Trough Under Actual Working Conditions

3.3.2 啞鈴銷受力分析

取鏟煤板右側(cè)啞鈴銷為例進行分析。為3個不同側(cè)面應力云圖，如圖10所示。由圖4可知，啞鈴銷的軸向截面為半圓形，弧形面?zhèn)扰c中部槽凹凸端頭向接觸的，由三個受力云圖可以看出，隨著時間的變化，啞鈴銷主要受力部位沒有太大變化，主要集中在弧形面的截面突變處，最高應力為450MPa左右，沒有超過材料的屈服極限。在鏟煤板側(cè)，中部槽主要受到來自平滑靴向下的拉力，會有向下的變形趨勢，因此會對啞鈴銷產(chǎn)生擠壓導致變形，進而產(chǎn)生高應力部位。由圖可知，高應力部位均位于啞鈴銷大截面與小截面的過渡位置，由于截面面積突然變小，導致作用力面積隨之減小，故而導致應力集中，產(chǎn)生高應力部位。

圖10 啞鈴銷等效應力云圖Fig10 Equivalent Stress Nephogram of Dumbbell Pin

4 結(jié)構(gòu)改進

由以上分析可知，中部槽最大應力位置位于啞鈴窩凹凸端頭處，容易發(fā)生斷裂。中部槽凹凸端頭處厚度較薄，導致與啞鈴銷的接觸面積較小，凹凸端頭處反作用力較大，容易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，因此對凹凸端頭處改進，原厚度為70mm，在不改變原先結(jié)構(gòu)的基礎上，槽幫弧形處厚度增加量分別設為6mm、10mm，即厚度變?yōu)?4mm、60mm，如圖11所示。啞鈴銷軸間半徑比較小，為了避免軸間半徑后應力集中現(xiàn)象的發(fā)生，故不改變它的半徑。改進之后，槽幫厚度增加，與啞鈴銷的接觸面積增大。

圖11 槽幫弧形處厚度改善圖Fig.11 Thickness Improvement Diagram of Slot Arc

為了驗證結(jié)構(gòu)改進的效果，在相同的邊界條件下，對改進之后的中部槽-啞鈴銷連接體系重新仿真，查看應力分布情況。是改進前后中部槽右側(cè)啞鈴窩的典型單元應力云曲線圖，如圖12所示。改進前典型單元應力曲線，如圖12（a）所示，改進后的厚度分別為64、60的中部槽，典型單元應力曲線，如圖12（b）、圖12（c）所示。由圖中可以看出，改進之后，在（4～8）s的時間段里，最大等效應力明顯減小，有利于提高中部槽的使用壽命。所以，在中部槽質(zhì)量增加允許的情況下，可以適當考慮增加凹凸端頭的弧形厚度。

圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后典型單元應力曲線圖對比Fig.12 Comparison of Stress Curves of Typical Elements Before and After Structural Optimization

5 結(jié)論

對中部槽、啞鈴銷進行了在采煤機直線行走工況下的動力學分析，通過ADAMS分析得出采煤機作用在中部槽上的載荷，在LS-DYNA中對中部槽-啞鈴銷連接體系進行仿真分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）采煤機直線割煤時，中部槽受力較大的位置主要位于啞鈴窩凹凸端頭處及鏟煤板側(cè)的肋板根部，這兩個位置也是容易發(fā)生斷裂的部位。

（2）啞鈴銷受中部槽的擠壓，高應力部位主要出現(xiàn)在軸向的截面突變處。

（3）為了改善受力情況延長使用壽命，可以考慮增加啞鈴窩凹凸端頭處的槽幫厚度以減小高應力區(qū)域，為結(jié)構(gòu)改進提供了方向。