采煤机摇臂传动机构受力分析及外壳的优化设计

2023-01-26赵重生

机械管理开发 2022年11期

赵重生

（晋能控股煤业集团朔州煤电有限公司，山西怀仁 038300）

引言

采煤机是煤矿井下综采作业的核心，其运行时的稳定性和可靠性直接决定了井下综采作业的效率和可靠性。采煤机在工作时，依靠摇臂端部的截齿将煤炭从煤壁上切割下来，在截割的过程中会受到截割载荷的冲击作用，导致摇臂壳体发生变形，进而影响到摇臂传动机构内齿轮的啮合情况，加速齿轮磨损、断齿等，给井下的综采作业安全带来了严重的隐患。

为了提升采煤机摇臂的运行安全性，本文利用RecurDyn 仿真分析软件[1]对采煤机摇臂在工作状态下的受力进行仿真分析，获取了摇臂结构薄弱点，针对性地提出了优化建议，根据仿真分析结果表明，摇臂传动机构在受力过程中其最大应力集中发生在摇臂壳体传动轴配合位置的柱窝区，通过对端部的传动轴配合位置进行加强同时对各传动轴接触位置的柔性中心点进行调节，降低传动轴和接触点接触时的压力，实现了将齿轮平均啮合力降低为优化前的59.3%，显著提升了采煤机摇臂传动机构的运行稳定性和可靠性。

1 采煤机摇臂传动机构模型建立

为了对采煤机摇臂传动机构的运行受力情况进行分析，利用三维建模软件，以MG7180 采煤机为基础，建立采煤机摇臂的三维结构模型，在建模的过程中需要遵循以传动轴为基本体，先在轴上建立中心点，并用中心点和参数对话框来构建齿轮模型，该采煤机摇臂传动系统中各传动齿轮参数如表1 所示。

表1 传动齿轮参数汇总表

在建立传动轴承三维时，为了节约建模时间并提高分析的准确性，采用系统自带的轴承工具包建立轴承模型，建模完成后的采煤机摇臂传动机构三维模型如图1 所示。

图1 摇臂传动机构三维模型

为了满足对采煤机摇臂传动机构受力分析的需求，本文以RecurDyn 仿真分析软件为基础，根据摇臂传动系统中各个零部件的配合关系，设置相互的约束关系，满足仿真分析的需求。

在设置传动零件之间的接触参数时，需根据采煤机摇臂传动系统工作时的实际情况，确定各个接触面上的接触刚度，根据实测情况，设置齿轮之间相互啮合时的接触刚度为100 000 N/mm，其黏性阻尼为10 N·s/mm，设置传动轴和传动轴承之间的接触刚度为120 000 N/mm，其阻尼为0.000 1 N·s/mm。

2 仿真参数设置

为了提高采煤机截割传动机构分析结果的准确性，需要根据传动系统的实际运行状态进行仿真参数设置[2]。首先利用网格划分软件对采煤机摇臂划分网格，为了提高仿真分析的准确性和分析速度，因此在传动区域、壳体与轴承、轴接触的位置采用加密网格划分方案，在壳体其他位置采用常规的网格划分方案，网格划分后的结构如下页图2-1 所示。

根据采煤机驱动机构所用材料，设置其弹性模量为180 000 MPa，材料密度设置为786×104kg/mm3，阻尼设置为1×10-4N·s/mm，剪切模量设置为78 720 kg/mm3，泊松比设置为0.3。采煤机在运行过程中摇臂的负载主要来自于在截割过程中煤壁对截割机构的反作用力，根据作用在截齿上截割阻力、侧向阻力、牵引阻力的变化情况，通过MATLAB 仿真分析软件的分析[3]，生成在一个周期内的作用力波动曲线，如图2-2 所示。

图2 摇臂仿真建模及受力变化图

3 仿真结果分析及优化

将采煤机摇臂运行时的作用力波动信息作为输入信号，对摇臂传动机构在运行过程中的受力进行分析，结果如图3 所示。

图3 摇臂壳体仿真分析结果

由图3-1 可知，采煤机摇臂传动系统在受力过程中，其壳体受到交变的应力作用，会使摇臂壳体产生应力和变形，其最大变形发生在摇臂壳体传动轴处，最大变形为11.7 mm。由图3-2 可知，在受力过程中其最大应力集中发生在摇臂壳体传动轴配合位置的柱窝区，最大应力约为441 MPa。因此在交变力的作用下导致摇臂壳体发生变形，进而影响到传动轴的同心度，使传动轮齿之间的接触面变小[4]、啮合力变大，严重影响采煤机摇臂的运行安全性[5]。

针对仿真分析结果，需要重点对端部的传动轴配合位置进行加强，同时为了避免传动齿轮偏位时对其他传动轴接触位置产生影响，需要对其他传动轴接触位置进行同步加强，同时对各传动轴接触位置的柔性中心点进行调节，降低传动轴和接触点接触时的压力[6]，优化后的传动轴摇臂结构如图4 所示，图中上侧的数字表示柔性中心点在x 轴方向上的位移，下侧的数字表示柔性中心点在y 轴方向上的位移。