采煤機雙電機截割部殼體預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

張燕，王士柱，王式民

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東 棗莊277500）

0 引 言

在采煤過程中，采煤機截割部［1-3］要承受較大的載荷，使截割部殼體產(chǎn)生變形、扭轉(zhuǎn)和振動等，甚至產(chǎn)生局部斷裂，尤其是雙電機串聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計中，在選擇兩臺串聯(lián)驅(qū)動電機時，通常認(rèn)為如果其機械特性不完全相同就會產(chǎn)生振動等問題［4－5］，并且殼體不但支撐滾筒截割煤層，而且是傳動系統(tǒng)的箱體，殼體的變形必然影響傳動裝置的運行，且采煤機工作條件惡劣，要求采煤機截割部殼體有足夠的強度和剛度。因此建立采煤機截割部殼體的實體模型，導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS 后，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，獲得采煤機截割部的模態(tài)振型，為采煤機截割部的進(jìn)一步改進(jìn)提供依據(jù)。

1 雙電機截割部殼體數(shù)值模型

1.1 截割部參數(shù)及模型的建立

利用三維建模軟件Pro/E 建立截割部殼體實體模型，并在Workbench 中建立預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析模型，在模塊的Engineering Data 里選擇需要定義殼體材料的Structural Steel 材料（彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比v=0.3），在Geometry 上右鍵輸入殼體模型。薄煤層采煤機截割部有關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 截割部有關(guān)參數(shù)

在模型導(dǎo)入完成后，進(jìn)行有限元仿真分析非常重要的一步——網(wǎng)格劃分。用戶所用網(wǎng)格劃分方法和所劃網(wǎng)格大小、形狀將直接影響著仿真分析的結(jié)果準(zhǔn)確性和仿真時間。本文采用了自由網(wǎng)格劃分，共有19 444 個單元，35 649 個節(jié)點，有限元模型結(jié)果如圖1 所示。

圖1 殼體有限元模型

1.2 約束及載荷的施加

1）圓柱約束及z 向位移約束。采煤機截割部與牽引部連接是通過銷軸連接的，是旋轉(zhuǎn)副連接，因此，對4 個耳座孔添加圓柱約束，而左端面施加z 向位移約束，如圖2。

2）法面約束。截割部經(jīng)過安裝，殼體的孔大多不空缺，因此，在電機孔處、安裝惰軸孔處及所安裝軸承配合的孔處施加法面約束，以體現(xiàn)所裝配零件的支撐作用。

3）載荷施加。殼體的另一端與滾筒相連接，滾筒割煤受到載荷的作用，所以對殼體的力全來自滾筒，在殼體的頭部施加上述兩種載荷，如圖3 所示。

最后利用ANSYS Workbench 對采煤機截割部殼體進(jìn)行模態(tài)分析［4］，將 靜 力 分 析 與 模態(tài)分析結(jié)合，對殼體進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。如圖4 所示。

圖2 圓柱約束

2 結(jié)果分析

利用有限元軟件ANSYS Workbench 求解分析所建立的搖臂殼體的有限元模型，由分析得到的殼體應(yīng)力分布如圖5 所示。

截割部殼體的應(yīng)力分布均是由其受力彎曲并帶有較大的扭轉(zhuǎn)引起的，殼體前端安裝截割頭處及各級軸孔產(chǎn)生的應(yīng)力較大、較集中，殼體安裝電機處及耳座處應(yīng)力相對較小。最大應(yīng)力為73 MPa，不會對殼體的正常工作造成直接的危害。但在采煤過程中，整個截割部受交變載荷作用，應(yīng)力集中處會嚴(yán)重影響殼體的疲勞壽命，導(dǎo)致截割頭、行星機構(gòu)及殼體之間連接的失效以及各級軸孔產(chǎn)生破裂，影響傳動準(zhǔn)確性和平穩(wěn)性。所以，需采取適當(dāng)措施提高應(yīng)力集中區(qū)的強度。

圖3 載荷施加

圖4 截割部殼體預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析模塊

圖5 應(yīng)力分布

在應(yīng)力分析基礎(chǔ)上，結(jié)合模態(tài)分析，對模型進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，應(yīng)用Workbench 對模型進(jìn)行求解，提取前5 階模態(tài)的振型，如圖6 所示，各階頻率如表2 所示。

由ANSYS Workbench 對截割部殼體的模態(tài)分析得到的各階振型可知：

表2 殼體5 階固有頻率

圖6 雙電機截割部殼體5 階振型

第1 階振態(tài)是殼體在一個與XOY 平面成一定夾角的振動。該階最大振動變形主要集中在殼體安裝截割頭處。

第2 階振態(tài)是殼體在一個與XOZ 平面成一定夾角的振動。該階最大振動變形也主要集中在殼體安裝截割頭處。

第3 階振態(tài)是殼體沿X 方向的扭轉(zhuǎn)振動，最大振動變形主要集中在殼體安裝截割頭處和右電動機尾部，整個殼體傳動箱沿X 方向的扭轉(zhuǎn)變形會影響截割部傳動系統(tǒng)的傳動精度和穩(wěn)定性，可能會引起傳動軸的擠壓變形。

第4 階振態(tài)是殼體沿X 方向的扭轉(zhuǎn)振動，最大振動變形主要集中在殼體安裝截割頭處，變形相對于第3 階振態(tài)要小。

第5 階振態(tài)是殼體在一個與XOY 平面成一定夾角的振動，以及在一個與XOZ 平面成一定夾角振動的復(fù)合振動，最大振動變形主要集中在殼體安裝截割頭處，變形也相對較大。

3 結(jié) 論

利用三維實體建模軟件Pro/E 建立三維模型，并在有限元軟件ANSYS Workbench 中進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析結(jié)果顯示了該型號采煤機截割部殼體在受載過程中的薄弱環(huán)節(jié)及其各階固有頻率、各階振型，為截割部殼體的進(jìn)一步改進(jìn)及其優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)，截割部殼體的固有頻率由其自身的結(jié)構(gòu)決定，為了避免其在工作過程中發(fā)生劇烈振動，可以通過改變其結(jié)構(gòu)形式從而使其固有頻率遠(yuǎn)離工作中的振動頻率。

［1］ 張瑾，張燕.基于ANSYS 的采煤機截割部有限元分析［J］.煤礦機械，2013，34（7）：92-93.

［2］ 宋凱健，代星軍.采煤機截割部行星機構(gòu)行星輪模態(tài)分析［J］.煤礦機械，2013，34（1）：109-111.

［3］ 吳衛(wèi)東，安興偉.基于ANSYS 的采煤機搖臂的有限元分析［J］.煤礦機械，2009，30（3）：77-79.

［4］ 謝貴君，楊兆建，王義亮.大采高電牽引采煤機搖臂結(jié)構(gòu)模態(tài)分析［J］.機械工程與自動化，2011（1）：12-14.

［5］ 李嘉鵬.薄煤層采煤機截割部行星架有限元分析［J］.機械工程與自動化，2012，33（4）：93-95.