薄煤层采煤机摇臂优化分析

陈硕

摘 要：悬臂是采煤机重要的结构部件，悬臂能否高效工作直接关系到采煤机的工作效率。文中在对采煤机悬臂受力分析的基础之上，采用数值模拟软件对悬臂的运行结构进行仿真分析，对悬臂壳体厚度以及肋板的高度等进行优化，优化后的悬臂受力更为均衡，摇臂的质量有所降低。

关键词：采煤机;摇臂;优化分析

煤矿井下采煤机摇臂主要结构部件有减速箱、摇臂壳体以及截割电机等部分。摇臂是保证采煤机正工作运行的关键结构件，通过插销与采煤机机身进行连接。在薄煤层回采工作面，采用的大功率采煤机需要采用更长的摇臂，以及直径更大的割煤滚筒。采煤机正常作业时，摇臂的传动件如轴承、壳体等都需要承受较大的作用力，同时为了配合割煤需要，摇臂需要频繁的上下移动，摇臂的疲劳损坏程度增加，设备的故障率较高。摇臂的出现故障跟采煤机受力、震动等都有关联。因此，可以从动力学以及结构分析角度出发，对摇臂的受力薄弱位置及部件面，对摇臂动态特性进行分析，提升摇臂经济性及稳定性。

1 采煤机摇臂受力分析

在采煤机正常工作状态下，煤岩体分布不均衡，采煤机受到的作用力不均衡。但是无论采煤机截割滚筒受到的作用力较为复杂，最终作用力都会传递到采煤机摇臂之上。正常情况下，采煤机滚筒受力有6个作用分量，在三个坐标轴上产生分量，同时绕着三个方向上出现扭矩。通过对摇臂受力进行分析，考虑到摇臂载荷，即摇臂、滚筒重量、截割滚筒受到阻力、滚筒受力。

摇臂工作状态下的工作阻力可以从电机的阻力距计算取得，电机受到的载荷与供电电压、电流大小成正比，因此，只需要确定电机电压值以及电流值就可以计算取得采煤机截割滚筒受到的力矩。滚筒在工作时截割阻力主要来至于滚筒上的截割齿轮，受到的作用力方向垂直于滚筒运动方向。滚筒截割时受到的阻力可以采用下式进行计算：

其中，K表示滚筒周边受力修正系数，取值为0.8;NH表示为截割电机的功率（kW）;?表示截割部传动效率;n表示滚筒的运转速度（r/min）;Dc表示滚筒直径（mm）。

对悬壁的轴向受力进行简化分析，主要分析滚筒倾斜截割齿轮受到的侧向应力以及滚筒叶片齿轮侧向力。前者受力方向主要向采空区，后者主要向采煤机推进方向。采煤机滚筒叶片齿轮布置形式设定为棋盘式，滚筒受到的轴向应力值为：

其中，PZ表示滚筒工作时受到的阻力;LK表示滚筒截割深度（m），K2表示滚筒截割条件系数，一般取值为2;J表示滚筒有效截割深度，（m）

2 采煤机摇臂受力分析

文中以J71A型薄煤层采煤机为例，采用CREO2.0软件建立摇臂三维模型，并添加相应的载荷，以便获取采煤机悬臂在不同工况条件下的受力情况。建立的三维仿真模型如图1所示。

通过对比分，产生的应力以及位移的最大值表现规律较為接近。悬臂结构受到的负载变化情况与实现中采煤机悬臂受到的载荷变化相仿。悬臂的等特效应力以及等效位移在接近30s时间时出现最大值，最大的载荷达到220MPa，远超过悬臂使用材料的极限强度。主要针对上述情况进行优化。

3 采煤机悬臂优化

通过对采煤机悬臂的受力分析模拟仿真得知，悬臂出现应力集中部位主要有两处位置，一处是悬臂的壳体直齿传动部分，一处是驱动电机外部壳体肋板。因此，对悬臂的优化主要是针对上述两处位置进行。将悬臂厚度定义为ds-xbhd，箱体厚度定义为ds-xthd，肋板的高度定义为ds-lbgd。选用的优化数值有一定的取值范围，设定的值过大或者过小都不利对悬臂结构分析。具体设计变量值与目标变量值如表1所示。

在具体设计参数时的取值范围有上下10%的波动，系统会根据设定值的变化自动生成29个样本数据值。在对悬臂进行优化分析时，先需要进行响应分析。通过进行动态的变量的输入，分析输入的动态变量对输出变量的影响，为具体的悬臂优化提供数据支撑。

3.1 悬臂目标驱动优化

通过对悬臂进行优化分析，对不同输入以及输出的数据组合，寻求最佳的优化组合方案，对比分析悬臂受到的最大应力值，主要结论为：对悬臂优化之后的悬臂自身的质量、最大等效位移未出现较大的变化，悬臂的最大等效应力受到显著影响。对悬臂进行优化的一个重要方面是在降低最大等效应力前提之下对悬臂的质量进行优化。

3.2 悬臂优化结果分析

悬臂最大应力在优化前后都主要发生在悬臂驱动电机肋板出，主要的区别在于优化之后肋板的应力分布更为均衡。肋板上的应力从优化之前的152MPa降低到优化之后的131MPa，降低幅度达到14%，优化效果较为明显，具体的各个选取参数优化前后的对比数据如表2所示。

4 结语

摇臂作为采煤机的重要结构部件，对采煤机的正常工作运行起着重要的作用。微课更好的促进薄煤层采煤机摇臂结构稳定，采用迷你软件对摇臂进行三维结构仿真以及优化，优化后，悬臂的结构受力更为合理，优化后悬臂的最大应力降低到131MPa，重量降低到6367kg，降低了2.3%。优化后的悬臂重量更轻，受力更为合理，优化效果较为明显。

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