鉆式采煤機傳動箱體的結(jié)構(gòu)有限元分析

陸 寅

(天地科技股份有限公司 上海分公司，上海 200030)

0 引言

我國是以煤炭作為主要能源的國家，極薄煤層與不規(guī)則煤層在全國各大礦區(qū)均有儲量，受開采條件限制，該煤層未能得到有效開采。鉆式采煤機為極薄煤層、邊角煤、不規(guī)則煤層及保安煤柱等開采提供了一種機動靈活、安全、可靠的開采方法，提高了資源回收率，延長礦井開采年限，保證老礦區(qū)的持續(xù)發(fā)展。但鉆式采煤機的設(shè)計水平與中厚及厚煤層采煤機的技術(shù)水平還有很大差距[1-2]。鉆式采煤機在井下的工作條件惡劣，加之薄煤層地質(zhì)條件對鉆式采煤機的機身高度有限制作用，以往依靠加大設(shè)計安全系數(shù)來提高采煤機的可靠性在薄煤層采煤機設(shè)計中已經(jīng)不再適用。由于鉆式采煤機傳動箱體長時間受到非均勻的振動載荷，其在應(yīng)用過程中經(jīng)常出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。因此，利用現(xiàn)代設(shè)計方法對鉆式采煤機傳動箱體進行設(shè)計校核顯得尤為重要。本文利用有限元法對其結(jié)構(gòu)強度校核，并對箱體的應(yīng)力、位移狀態(tài)進行分析，以期為鉆式采煤機傳動箱體的設(shè)計改進提供依據(jù)。

1 ABAQUS軟件簡介

ABAQUS軟件是由法國達索公司基于有限元理論開發(fā)的一個功能強大的數(shù)值分析包。該軟件不僅可以分析簡單的線性問題，還可以對材料非線性、幾何非線性等復(fù)雜的問題進行模擬仿真。ABAQUS軟件的單元庫提供了各種各樣的單元，如一維桿單元，二維平面單元以及三維多面體單元，以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格劃分。軟件還提供了從簡單的非線性材料模型，復(fù)雜至適用于巖土分析的各項異性材料本構(gòu)模型[3-4]。近年來，ABAQUS軟件日趨完善，提供了諸如歐-拉耦合方法、光滑粒子動力學(xué)法等模擬大變形問題。

2 有限元分析前處理

2.1 傳動箱體參數(shù)化建模

利用參數(shù)化建模軟件Pro/E建立了鉆式采煤機傳動箱體的三維模型，如圖1所示。然后在Pro/E工作環(huán)境中將傳動箱體三維模型轉(zhuǎn)化成標準的可交換數(shù)據(jù)，如iges、sat等，進而導(dǎo)入到ABAQUS工作環(huán)境中進行網(wǎng)格劃分[5]。

圖1 傳動箱體幾何模型

鑒于傳動箱體是完全對稱結(jié)構(gòu)，為減少計算機運算量，本文僅對箱體的一半模型進行分析。ABAQUS軟件提供多種網(wǎng)格劃分技術(shù)包括:結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、掃掠網(wǎng)格、自由網(wǎng)格，為了減少計算機的運算時間，本文同時采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)和掃掠網(wǎng)格劃分技術(shù)，最終劃分出的網(wǎng)格單元均為6面體實體單元，傳動箱體的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分模型

2.2 材料模型

鉆式采煤機傳動箱體一般為焊接件，采用的材料為Q235鋼，其彈性模量為210GPa，密度為7800kg/m3，泊松比為0.3，屈服極限為235MPa。為了能夠準確分析傳動箱體的應(yīng)力狀況，使用理想的彈塑性材料本構(gòu)模型來表征Q235材料的實際力學(xué)性能，其本構(gòu)模型如圖3所示。

2.3 載荷與邊界條件

鉆式采煤機截割煤巖是一個具有高度非線性且間斷沖擊的動力學(xué)行為，其截割機構(gòu)，即鉆頭的受力比較復(fù)雜，進而導(dǎo)致與其相連接的傳動箱體載荷也無法精確計算。以某一型號鉆式采煤機為例，根據(jù)機械設(shè)計理論對傳動箱體軸承座載荷計算(計算方法可參考機械設(shè)計手冊，本文不再贅述)，結(jié)果如表1所示，圖4為箱體載荷位置示意圖，其與圖1對應(yīng)。軸承承受的力均勻分布在軸承座的半圓上，半圓位置由軸承所受到的力決定。傳動箱體的邊界條件為:在面1和面2施加完全約束，在面3施加對稱約束。

表1 傳動箱體的載荷

3 分析結(jié)果

有限元模型的后處理一般包括:觀察分析單元應(yīng)力、位移以及時間歷程曲線等。鉆式采煤機傳動箱體的應(yīng)力分布云圖如圖5所示，從圖中可見傳動箱體的最大等效應(yīng)力為27.9MPa，出現(xiàn)在C1所施加的載荷處，主要是該處的等效均布載荷較其它位置大引起的。根據(jù)有限元計算結(jié)果和材料的屈服強度，可以得出鉆式采煤機傳動箱體的設(shè)計安全系數(shù)為8.4。根據(jù)礦山機械的設(shè)計經(jīng)驗，一般重型礦山機械的設(shè)計安全系數(shù)要不小于6，故本文設(shè)計的傳動箱體結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，但安全系數(shù)偏大造成材料浪費，所以在改進設(shè)計中應(yīng)稍微降低設(shè)計安全系數(shù)以節(jié)約材料。

圖5 傳動箱體應(yīng)力云圖

鉆式采煤機傳動箱體的位移云圖如圖6所示，從圖中可見傳動箱體的最大位移為0.078mm，最大值位于D1、D2以及傳動箱體的中部，其滿足機械設(shè)計要求。但由于鉆式采煤機傳動箱體內(nèi)安裝的齒輪需要較高的嚙合精度，理想情況下傳動箱體變形量應(yīng)極小。所以，在箱體改進設(shè)計中應(yīng)該在箱體中部適當?shù)脑黾訑?shù)個筋板，以提高傳動箱體中部的整體剛度，進而提高箱體內(nèi)齒輪傳動的精度，降低鉆式采煤機傳動箱損壞的概率。由以上分析可知，鉆式采煤機傳動箱體的強度和變形都符合機械設(shè)計要求，但安全系數(shù)稍大，在今后改進設(shè)計中應(yīng)適當減小傳動箱體設(shè)計安全系數(shù)以降低鋼材的使用量。傳動箱體微小的變形可能導(dǎo)致箱體內(nèi)齒輪嚙合精度不夠，進而使整個傳動箱體傳動系統(tǒng)失效，故在改進設(shè)計中應(yīng)提高箱體的整體剛度以降低箱體變形量，進而提高齒輪傳動精度和使用壽命。

圖6 傳動箱體位移云圖

4 結(jié)論

(1)在理想彈塑性模型基礎(chǔ)上，利用有限元法對鉆式采煤機傳動箱體進行有強度和變形分析，得到了傳動箱體不同位置的應(yīng)力和變形大小，可以直觀的查看傳動箱體的應(yīng)力狀態(tài)，對傳動箱體的設(shè)計有一定指導(dǎo)作用。

(2)根據(jù)有限元強度校核結(jié)果，鉆式采煤機傳動箱體的設(shè)計安全系數(shù)稍微偏大，在進一步改進設(shè)計中可以適當?shù)慕档桶踩禂?shù)以節(jié)約鋼材。在改進設(shè)計中應(yīng)在箱體中部增設(shè)筋板以提高箱體的整體剛度，進而提高齒輪嚙合精度和降低傳動箱損壞的概率。

[1]張欣，張樞.薄煤層采煤機的發(fā)展狀況及趨勢[J].煤礦機械，2002，6:7-8.

[2]付林，杜長龍，劉送永.鉆式采煤機新型工作機構(gòu)的研究[J].煤礦機械，2010，31(2):111-113.

[3]李嘉鵬.薄煤層采煤機截割部行星架有限元分析，2011，4.

[4]趙騰倫.ABAQUS6.6在機械工程中的應(yīng)用[M].中國水利水電出版社，2007.5.

[5]單泉，陳硯，汪殿龍.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 中文版參數(shù)化設(shè)計從入門到精通[M].北京:機械工業(yè)出版社.