滚筒采煤机摇臂壳体结构有限元分析.pdf

CONSTRUCTION MACHINERY 65 2020/05总第531期 滚筒采煤机摇臂壳体结构有限元分析 刘国强，张建芳 （内蒙古世龙股份有限公司世联建筑分公司，内蒙古 包头 014000） ［摘要］利用ANSYS软件对滚筒采煤机摇臂壳体结构在俯采和仰采工况下进行静态特性分析。计算 结果表明，滚筒采煤机摇臂壳体可以满足强度要求，为采煤机的结构设计提供了参考依据。 ［关键词］滚筒采煤机；摇臂壳体；有限元 ［中图分类号］TD421 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2020）05-0065-03 Structural analysis of rocker arm shell for shearer based on finite element LIU Guo-qiang，ZHANG Jian-fang 滚筒采煤机摇臂是采煤机的主要工作部件， 通过齿轮传动将截割电动机动力传递到螺旋滚筒， 完成采煤机的割煤与装煤。滚筒截割反力、滚筒及 摇臂自身的重量均由摇臂壳体承受，冲击负荷大， 受力状况最为恶劣，摇臂壳体一旦发生故障，直接 造成工作面停产［1］。因此，摇臂壳体的强度分析 十分必要。本文以930型滚筒采煤机摇臂壳体为研 究对象，在摇臂两个典型工况仰采和俯采时进行有 限元静态特性分析，验证设计结构是否满足强度 要求。 1 摇臂壳体的受力分析 由于摇臂壳体并不直接受到外部载荷，主 要是滚筒和传动系统对壳体产生力或力矩。根据 ANSYS软件的特性，可以将与摇臂壳体连接的滚 筒和行星减速机构简化为集中质点，在质点处加载 等效重力、截割阻力、牵引阻力、轴向力和滚筒及 行星减速机构对壳体的转矩。简化后壳体受力如图 1和图2所示。 （1）等效重力G1。 行星减速器总重1211.77kg，滚筒重量1500kg， 则等效重力G11211.7715002711.77kg。 （2）截割阻力F载。 当截割电机满功率运转时，滚筒的载荷 9550Pi F nr 截    79965P i F Ztn 牵   7 1.91 10 K Z c P L F nD B   20 1 sin Δ 4 C Z D LF F L B 牵   （1） 式中P为截割电机功率；i为传动系统总传动 比；n为电机轴输出转速；r为滚筒半径。 经计算，F载94.71kN。 0.00500.00 250.00750.00 1000.00（mm） Y A B X 等效重力 1 扭矩 质心 截割阻力 牵引阻力 Fa Fa 1 M G 图1 摇臂壳体XY面受力简图 Z AB X 质心 轴向力Fa 图2 摇臂壳体XZ面受力简图 DOI10.14189/ki.cm1981.2020.05.008 ［收稿日期］2020-02-21 ［通讯地址］刘国强，内蒙古包头市昆都区钢院学府9栋1 单元2202室 66 建筑机械 SURVEYING 专题论述 （3）牵引阻力F牵。 采煤机最大单牵引力按照GB/T 35060.3-2018 中行走速度和行走力公式进行计算。根据经验，前 滚筒为总牵引力的2/3。 9550Pi F nr 截    79965P i F Ztn 牵   7 1.91 10 K Z c P L F nD B   20 1 sin Δ 4 C Z D LF F L B 牵   （2） 式中P为单牵引电机功率；η为电机输出轴到 行走轮的总机械效率；i为牵引传动系统总传动 比；Z为行走轮的齿数；t为行走轮的节距；n为牵 引电机轴输出转速。 经计算，F牵385kN。 （4）轴向力FZ。 根据滚筒采煤机理论设计基础［2］提供的 公式计算轴向力 7 1.91 10 K Z c P L F nD B   20 1 sin Δ 4 C Z D LF F L B 牵   （3） 斜切状态时，螺旋滚筒的附加轴向力 20 1 sin Δ 4 C Z D LF F L B 牵   （4） 式中α0为采煤机进入弯曲段时机身与直线段的 最大夹角；L1为采煤机两个导向滑靴间的中心距 离；L2为远离前滚筒的滑靴到滚筒轴线端盘点的距 离。 经计算，轴向力（含附加轴向力）FZ78kN。 2 摇臂壳体有限元分析 通过三维软件建模，利用ANSYS软件建立有 限元分析模型。本文对摇臂在割顶（与水平位置 35夹角）和割底（与水平位置5夹角）两个工 作状态进行有限元分析，在摇臂与机身连接的铰接 孔和与油缸连接的铰接孔处施加固定支撑约束。图 4和图5分别为割顶和割底时的有限元模型。 D I I E P O H Y X B C A 图3 摇臂割顶时壳体有限元模型 Y A B H C E H P X 图4 摇臂割底时壳体有限元模型 摇臂壳体材料为XYZ-M1，其力学性能如表1 所示。在有限元计算时，屈服强度取650MPa，抗 拉强度取830MPa。 经过有限元分析，摇臂壳体应力分布云图及 计算结果如图5-8和表2所示。 表1 摇臂壳体材料力学性能 硬度（BHN）热处理抗拉强度屈服强度延伸率收缩率冲击值 269～321淬火回火≥830MPa≥650MPa≥14≥30At（0℃）≥35J 表2 摇臂壳体有限元计算结果 最大变形量 /mm 最大等效应 力/MPa 油缸铰接处 支反力/kN 摇臂割顶时2.029396.61893.57 摇臂割底时1.6929382.82122.59 3 结束语 从计算结果可以看出，当摇臂割顶时，摇臂 壳体的受力状态较为恶劣，且设计的截割油缸最大 推力510kN割顶时油缸铰接处支反力，所以我们 依据割顶时有限元结果进行分析。 CONSTRUCTION MACHINERY 67 2020/05总第531期 0.00500.00 250.00750.00 1000.00（mm） Y X Z 图5 割顶时壳体等效应力分布云图 Y X 0.00500.00 250.00750.00 1000.00（mm） 图6 割底时壳体等效应力分布云图 Y Z X 0.00500.00 250.00750.00 1000.00（mm） 图7 割顶时壳体安全系数分布云图 Y X 0.00500.00 250.00750.00 1000.00（mm） 图8 割底时壳体安全系数分布云图 割顶时，摇臂壳体最大变形量为2.029mm， 摇臂总长（包括滚筒）3075mm，变形量占总长 的0.66‰，能够满足不大于1‰的刚度要求；摇 臂壳体最大等效应力396.61MPa650MPa（屈服 强度），能够满足强度要求，所以930滚筒采煤 机摇臂壳体能够满足采煤机在恶劣工况下的强度 要求。 ［参考文献］ ［1］ 赵丽娟，马永志. 基于多体动力学的采煤机截割部可 靠性研究［J］. 煤炭学报，2009，34（9）1271- 1275. ［2］ 刘春生. 滚筒式采煤机理论设计基础［M］. 徐州 中国矿业大学出版社，2003. ［3］ 申磊，徐明昱，周海峰，等. 采煤机截割壳体材料分 析与研究［J］. 煤矿机械，2011，32（10）64-65. 关，努力并善于发现设计图纸中的不足和差错，把 影响工程质量、使用功能等方面的问题尽量在设计 时提出，以便设计及时对所提问题做出补充修改完 善，做到防患于未然。 4 结束语 设计阶段在房地产开发中的作用至关重要。 未雨绸缪、预见性地解决施工中存在的问题，避免 施工中工程返工影响工程进度、造价。要防止盲目 求大、求全，要以适用为主，考虑经济承受能力和 投资回报。房地产开发项目设计阶段事前控制在整 个工程质量控制中起着“四两拨千斤”的作用，房 地产市场危机当前，如何开发建设更加“物有所 值”的产品，实现投入和产出的良性循环，是房地 产开发企业应对危机的关键。 ［参考文献］ ［1］ 胡帮杰，孙凯. 施工中如何搞好土建与安装的配合 ［J］. 安装，2002（5）. ［2］ 王忠伟. 房地产开发项目的成本优化控制［J］. 开发 与建设，2006（2）. ［3］ 金保宁. 建筑电气工程监理常见问题与对策［J］. 建 设监理，2004（2）. ［4］ 编写委员会. 工程建设质量控制［M］（全国监理工 程师培训教材）. 北京中国建筑工业出版社，1997. （上接第64页）