基于ANSYS软件的采煤机摇臂受力仿真分析

解 喃

（山西凌志达煤业有限公司，山西 长治 046000）

引言

采煤机作为我国煤炭开采的重要设备，在复杂地质条件下进行作业时，常常出现采煤机摇臂断裂、滚筒截齿折断及中部槽疲劳断裂等事故，这无疑会影响采煤机的工作性能，为了解决采煤机易发生故障的问题，此前众多学者对采煤机部件优化进行过一定的研究[1-2]，陈文伟[3]以MG900/2400采煤机为背景，利用ANSYS数值模拟软件对摇臂传动系统中的齿轮及摇臂壳体受力进行仿真分析，为采煤机摇臂结构优化提供一定的参考。杨旭瞳[4]利用模拟软件对采煤机摇臂进行力学分析，通过ANSYS软件给出了采煤机摇臂的优化方案，为采煤机摇臂传动稳定性的提升打下基础。因此，利用数值模拟软件对采煤机摇臂的受力及稳定性进行研究。

1 摇臂壳体应力分析

采煤机摇臂主要作用是将电动机的力传递到滚筒，完成滚筒截割煤壁的任务，一般来说采煤机的功率消耗约8成以上是截割部作功，所以提升摇臂性能可有效提升采煤机工作效率。采煤机的摇臂主要组成部件有截割电机、摇臂壳体及摇臂齿轮减速箱等，本文选定采煤机型号为MG500/1130-AWD，采煤机摇臂通过铰轴和牵引部连接，同时通过油缸的伸缩实现摇臂的升降。

目前对采煤机设计常见的分析软件为ANSYS模拟软件，软件具有强大的后处理能力，其可以较好的与CAD软件进行衔接，可有效降低模型建立的周期。同时ANSYS数值模拟软件具有强大的网格处理能力、耦合场求解及兼容性强等优点，因此本文的模拟研究软件选择ANSYS软件。

在进行模拟计算前需要对三维模型进行一定的简化，对结构中的圆角、倒角及小孔进行简化，同时忽略焊接缝对模拟精度的影响。首先对摇臂的壳体进行模型建立，采煤机摇臂壳体是最容易出现损坏的部件，在进行壳体建立时需要在满足强度要求的同时降低其重量，以此来达到降本增效的目的。本文在solidworks软件中先建好壳体模型，后导入至ANSYS模拟软件中，对模型进行网格划分，在进行网格划分时充分考虑计算精度及计算效率，选定自由网格划分的方式，网格类型分为两种，分别为SOLID45和SOLID92，对模型的物理参数进行设定，材料的密度为7.91 kg/m3、泊松比为0.27、材料的弹性模量为2.2×1011Pa，同时对模型的约束进行设置，限制模型耳座孔处的X、Y、Z向移动及轴向转动。首先对不同工况下的摇臂壳体应力分布情况进行分析。应力云图如下页图1所示。

从下页图1可以看出，当摇臂摆角0°，煤层倾角30°时，此时摇臂壳体应力最大值出现在摇臂耳座孔处附近，此时的应力最大值为96 MPa，同时在壳体的头部位置受到的应力值也明显较大。当摇臂摆角42°，煤层倾角30°时，应力最大值仍出现在二轴、三轴的安装孔附近，此时的应力最大值为122 MPa。当摇臂摆角0°，煤层倾角30°斜进刀时，此时的应力最大值出现的位置仅持续爱你在二轴安装孔处，此时的应力最大值为123 MPa。当摇臂摆角18°，煤层倾角0°时，在此工况下应力最大值出现的位置与以上工况几乎无差，同时在此工况下的摇臂壳体最大应力值最小。通过以上分析可以得出四种工况下摇臂的应力值均小于材料的许用应力值，所以在进行壳体的设计时，可以适当降低结构的尺寸，以达到节省材料，提升效率的目的。

2 摇臂二轴应力分析

对采煤机摇臂二轴进行应力模拟分析，同样采用相似的方式进行模型导入，模型的网格划分选定为SOLID45单元，对模型的物理参数进行设定，材料的密度为7.91 kg/m3、泊松比为0.27、材料的弹性模量为2.2×1011Pa，同样限制二轴在XYZ平面上的移动及转动，计算结果如图2所示。

图1 不同工况下摇臂壳体应力（Pa）云图

从图2二轴应力分布云图可以看出，二轴的应力最大值出现在轴齿齿根的位置，分别对二轴轴齿轮和齿轮进行应力加载后得到的最大应力值分别为56.4 MPa和139 MPa，可以看出结构的刚度对于二轴的应力分布及应力值有着较大的影响，所以在对二轴进行优化设计时需要充分考虑结构的刚度，避免出现类似问题。

图2 二轴应力（Pa）分布云图

通过对摇臂壳体及二轴的模拟分析，发现摇臂壳体的应力最大值小于材料的许用强度，所以可以适当降低摇臂的尺寸，而二轴由于受到周期性的应力作用，易出现疲劳损伤，所以要适当增大材料的强度，提升材料的刚度。

采煤机在工作过程中，在巨大载荷作用下极易发生共振及扭转振动等现象，所以在进行摇臂设计时不仅需要考虑强度及刚度同时也要考虑振动，对摇臂进行动力学模拟，建模过程和应力分析类似，通过对模态阶数进行设定，进行求解，本文只展示3、7阶模态下的应力图如下页图3所示。

由模拟结果可知：结构在1、2阶模态下的固有频率为0，此时结构不发生扭转及弯曲，当结构在3-6阶模态下时，此时的固有频率值较1，2阶模态固有频率有了一定的增大，但增大的幅度较小，此时的结构的运动大致呈现为平动及刚体转动，并没有弯曲及扭转现象出现，当结构进入7阶模态时，此时的固有频率增大至185 Hz，此时的固有频率远大于摇臂的工作频率，采煤机在运行过程中不会出现因为共振而产生的损坏情况。

图3 不同模态下等效应力（Pa）云图

同样对二轴进行分析，结果发现结构在1-6阶模态下的固有频率均较小，几乎可以忽略不计，结构的运动同样只呈现为平动及刚体转动，无弯曲及扭转现象出现，当结构进入7阶模态时，固有频率远大于摇臂的工作频率，但由于振动产生的应力值远小于材料的许用应力，所以采煤机在运行过程中不会出现因为共振而产生的损坏情况。

3 结论

1）利用数值模拟分析可以得出四种工况下摇臂的应力值均小于材料的许用应力值，所以在进行壳体的设计时，可以适当降低结构的尺寸，以达到节省材料的目的。

2）利用数值模拟软件对齿轴及齿轮分别进行模拟分析发现，最大应力值差别较大，所以在提升强度的同时，应当适当提升刚度。

3）通过对不同阶模态下摇臂壳体及二轴进行分析发现，采煤机在运行过程中不会出现因为共振而产生的损坏情况。