张燕，王士柱，王式民

（枣庄科技职业学院，山东 枣庄277500）

0 引 言

在采煤过程中，采煤机截割部［1-3］要承受较大的载荷，使截割部壳体产生变形、扭转和振动等，甚至产生局部断裂，尤其是双电机串联驱动系统设计中，在选择两台串联驱动电机时，通常认为如果其机械特性不完全相同就会产生振动等问题［4－5］，并且壳体不但支撑滚筒截割煤层，而且是传动系统的箱体，壳体的变形必然影响传动装置的运行，且采煤机工作条件恶劣，要求采煤机截割部壳体有足够的强度和刚度。因此建立采煤机截割部壳体的实体模型，导入有限元分析软件ANSYS 后，对其结构进行预应力模态分析，获得采煤机截割部的模态振型，为采煤机截割部的进一步改进提供依据。

1 双电机截割部壳体数值模型

1.1 截割部参数及模型的建立

利用三维建模软件Pro/E 建立截割部壳体实体模型，并在Workbench 中建立预应力模态分析模型，在模块的Engineering Data 里选择需要定义壳体材料的Structural Steel 材料（弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比v=0.3），在Geometry 上右键输入壳体模型。薄煤层采煤机截割部有关参数如表1 所示。

表1 截割部有关参数

在模型导入完成后，进行有限元仿真分析非常重要的一步——网格划分。用户所用网格划分方法和所划网格大小、形状将直接影响着仿真分析的结果准确性和仿真时间。本文采用了自由网格划分，共有19 444 个单元，35 649 个节点，有限元模型结果如图1 所示。

图1 壳体有限元模型

1.2 约束及载荷的施加

1）圆柱约束及z 向位移约束。采煤机截割部与牵引部连接是通过销轴连接的，是旋转副连接，因此，对4 个耳座孔添加圆柱约束，而左端面施加z 向位移约束，如图2。

2）法面约束。截割部经过安装，壳体的孔大多不空缺，因此，在电机孔处、安装惰轴孔处及所安装轴承配合的孔处施加法面约束，以体现所装配零件的支撑作用。

3）载荷施加。壳体的另一端与滚筒相连接，滚筒割煤受到载荷的作用，所以对壳体的力全来自滚筒，在壳体的头部施加上述两种载荷，如图3 所示。

最后利用ANSYS Workbench 对采煤机截割部壳体进行模态分析［4］，将 静 力 分 析 与 模态分析结合，对壳体进行有预应力的模态分析。如图4 所示。

图2 圆柱约束

2 结果分析

利用有限元软件ANSYS Workbench 求解分析所建立的摇臂壳体的有限元模型，由分析得到的壳体应力分布如图5 所示。

截割部壳体的应力分布均是由其受力弯曲并带有较大的扭转引起的，壳体前端安装截割头处及各级轴孔产生的应力较大、较集中，壳体安装电机处及耳座处应力相对较小。最大应力为73 MPa，不会对壳体的正常工作造成直接的危害。但在采煤过程中，整个截割部受交变载荷作用，应力集中处会严重影响壳体的疲劳寿命，导致截割头、行星机构及壳体之间连接的失效以及各级轴孔产生破裂，影响传动准确性和平稳性。所以，需采取适当措施提高应力集中区的强度。

图3 载荷施加

图4 截割部壳体预应力模态分析模块

图5 应力分布

在应力分析基础上，结合模态分析，对模型进行预应力模态分析，应用Workbench 对模型进行求解，提取前5 阶模态的振型，如图6 所示，各阶频率如表2 所示。

由ANSYS Workbench 对截割部壳体的模态分析得到的各阶振型可知：

表2 壳体5 阶固有频率

图6 双电机截割部壳体5 阶振型

第1 阶振态是壳体在一个与XOY 平面成一定夹角的振动。该阶最大振动变形主要集中在壳体安装截割头处。

第2 阶振态是壳体在一个与XOZ 平面成一定夹角的振动。该阶最大振动变形也主要集中在壳体安装截割头处。

第3 阶振态是壳体沿X 方向的扭转振动，最大振动变形主要集中在壳体安装截割头处和右电动机尾部，整个壳体传动箱沿X 方向的扭转变形会影响截割部传动系统的传动精度和稳定性，可能会引起传动轴的挤压变形。

第4 阶振态是壳体沿X 方向的扭转振动，最大振动变形主要集中在壳体安装截割头处，变形相对于第3 阶振态要小。

第5 阶振态是壳体在一个与XOY 平面成一定夹角的振动，以及在一个与XOZ 平面成一定夹角振动的复合振动，最大振动变形主要集中在壳体安装截割头处，变形也相对较大。

3 结 论

利用三维实体建模软件Pro/E 建立三维模型，并在有限元软件ANSYS Workbench 中进行预应力模态分析。预应力模态分析结果显示了该型号采煤机截割部壳体在受载过程中的薄弱环节及其各阶固有频率、各阶振型，为截割部壳体的进一步改进及其优化设计提供了依据，截割部壳体的固有频率由其自身的结构决定，为了避免其在工作过程中发生剧烈振动，可以通过改变其结构形式从而使其固有频率远离工作中的振动频率。

［1］ 张瑾，张燕.基于ANSYS 的采煤机截割部有限元分析［J］.煤矿机械，2013，34（7）：92-93.

［2］ 宋凯健，代星军.采煤机截割部行星机构行星轮模态分析［J］.煤矿机械，2013，34（1）：109-111.

［3］ 吴卫东，安兴伟.基于ANSYS 的采煤机摇臂的有限元分析［J］.煤矿机械，2009，30（3）：77-79.

［4］ 谢贵君，杨兆建，王义亮.大采高电牵引采煤机摇臂结构模态分析［J］.机械工程与自动化，2011（1）：12-14.

［5］ 李嘉鹏.薄煤层采煤机截割部行星架有限元分析［J］.机械工程与自动化，2012，33（4）：93-95.