煤礦采煤機(jī)搖臂齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

呂知恒

（西山煤電斜溝礦， 山西 呂梁 033600）

引言

采煤機(jī)作為煤礦生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)設(shè)備之一，其工作狀態(tài)與煤礦產(chǎn)量密切相關(guān)。采煤機(jī)搖臂齒輪是保證采煤機(jī)正常運(yùn)行的重要零部件。國(guó)內(nèi)已有不少的學(xué)者對(duì)采煤機(jī)搖臂齒輪進(jìn)行過研究，戴玉龍、王翠華、賈安鵬等利用ANSYS Workbench 軟件對(duì)采煤機(jī)搖臂在實(shí)際開采過程中受力情況進(jìn)行了有限元分析，通過研究指出了采煤機(jī)搖臂的缺陷，為搖臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)[1],楊健健等利用自主研發(fā)的黑匣子，詳細(xì)分析了截割和行走電機(jī)工作參數(shù)、搖臂調(diào)高油缸載荷特征、搖臂和滾筒振動(dòng)特征，利用自動(dòng)化技術(shù)為薄煤層開采提供了理論基礎(chǔ)[2]，劉群、王義亮、楊兆建運(yùn)用ANSYS 分析軟件，分析了采煤機(jī)搖臂的固有頻率和振型，詳細(xì)分析了采煤機(jī)搖臂運(yùn)行過程中的參數(shù)，揭示了采煤機(jī)截割部作業(yè)性能及其動(dòng)力學(xué)特性變化規(guī)律，為采煤機(jī)搖臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)行特性分析提供了重要的參考[3]。劉曉輝、譚長(zhǎng)均、陳俊鋒利用Solidworks 軟件，針對(duì)采煤機(jī)截割部在采煤過程中長(zhǎng)期承受的載荷而產(chǎn)生共振的問題進(jìn)行了研究，通過建立模型，在已有研究的基礎(chǔ)上，利用模態(tài)分析結(jié)果對(duì)采煤機(jī)在運(yùn)行中的共振問題進(jìn)行了討論，并采取適當(dāng)?shù)膬?yōu)化舉措，優(yōu)化結(jié)果成功地解決了采煤機(jī)運(yùn)行過程中的共振問題，研究為搖臂的進(jìn)一步改進(jìn)提供了重要的依據(jù)[4]。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者的研究，針對(duì)采煤機(jī)重要零件即搖臂以及齒輪在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的斷裂、疲勞、磨損等現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行了分析與優(yōu)化，研究得到可觀的結(jié)果，為后續(xù)實(shí)際工作中采煤機(jī)搖臂齒輪部件的創(chuàng)新改進(jìn)提供了依據(jù)。

1 采煤機(jī)搖臂齒輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

煤礦的安全高效生產(chǎn)離不開人員的嚴(yán)格管理以及設(shè)備的高效正常運(yùn)行。在煤礦系統(tǒng)的運(yùn)行中，落煤、裝煤、運(yùn)煤、頂板的支護(hù)工序間必須嚴(yán)格操作執(zhí)行才能保證高效安全的生產(chǎn)。在落煤的過程中，采煤機(jī)是煤礦綜合機(jī)械化采煤的重要設(shè)備，因?yàn)槠溟L(zhǎng)期抗壓、耐高溫、強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。采煤機(jī)搖臂齒輪作為直接與煤壁接觸達(dá)到落煤效果的重要零件，因?yàn)槠溟L(zhǎng)期承受高速運(yùn)作摩擦產(chǎn)生的高溫、煤礦不穩(wěn)定的靜動(dòng)壓力等各種復(fù)雜因素的影響，齒輪極容易造成磨損、運(yùn)行強(qiáng)度下降、零件疲勞等各種損壞。為此分析了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比，在眾多的齒輪中，選取了具有代表性的z1 齒輪和z7 齒輪，如下頁(yè)圖1-1 和圖1-2 所示，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，齒輪的角速度總體呈上漲的趨勢(shì)，不論是z1 齒輪還是z7齒輪，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間從0 增長(zhǎng)到0.2 s 時(shí)，齒輪的角速度隨運(yùn)行時(shí)間快速增長(zhǎng)；當(dāng)運(yùn)行時(shí)間從0.2 s 上升到0.9 s 時(shí)，齒輪的角速度與運(yùn)行次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系；運(yùn)行時(shí)間達(dá)到0.9 s 至1.0 s 時(shí)，齒輪的角速度隨運(yùn)行時(shí)間的增加緩慢增加；隨后齒輪的運(yùn)行角速度逐漸穩(wěn)定，趨于一個(gè)穩(wěn)定的值。整個(gè)過程中，齒輪在1 s 后才會(huì)以相對(duì)恒定的角速度運(yùn)轉(zhuǎn)，造成這一現(xiàn)象的主要原因是在設(shè)備啟動(dòng)初期，行星齒輪的相對(duì)波動(dòng)較大，又因?yàn)樾行驱X輪本身的傳動(dòng)方式，所以齒輪會(huì)在1 s后才會(huì)趨于穩(wěn)定，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，在設(shè)備啟動(dòng)初期，應(yīng)該在設(shè)備穩(wěn)定后再運(yùn)行，否則容易造成采煤機(jī)齒輪的磨損甚至設(shè)備停歇，影響煤礦正常的生產(chǎn)。下頁(yè)圖1-3 和圖1-4 為一級(jí)行星齒輪和二級(jí)行星齒輪的角速度隨時(shí)間的關(guān)系圖。由圖可見，一級(jí)行星齒輪在1 s 前隨運(yùn)行時(shí)間穩(wěn)步增長(zhǎng)，在1 s 后，角速度雖有較小的幅度，但是依舊趨于平穩(wěn)。二級(jí)行星齒輪的穩(wěn)步頻率較一級(jí)行星齒輪迅速，約在0.75 s 時(shí)，齒輪達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，但是在0.75 s 后，齒輪的角速度波動(dòng)明顯，這與齒輪的傳動(dòng)方式有關(guān)系。

利用STEP 函數(shù)，齒輪z1 的轉(zhuǎn)速為9 000 degree/s，齒輪z7 的轉(zhuǎn)速為4968，齒輪z1、z7 的仿真?zhèn)鲃?dòng)比分別為1、1.81，理論計(jì)算得仿真比分別為1、1.82，誤差為0、0.55%，與實(shí)際情況基本相符。對(duì)于一級(jí)行星齒輪和二級(jí)行星齒輪，仿真?zhèn)鲃?dòng)比分別為8.28、36.22，而理論傳動(dòng)比為8.4、36.56，一級(jí)齒輪傳動(dòng)和二級(jí)齒輪傳動(dòng)的誤差分別為1.43%、0.93%，理論值與仿真值基本一致。

圖1 各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)速

通過仿真模擬，真實(shí)地反映了采煤機(jī)齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比參數(shù)，這對(duì)采煤機(jī)齒輪的優(yōu)化提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)理論支持。

2 采煤機(jī)搖臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)

上文對(duì)采煤機(jī)的搖臂齒輪進(jìn)行了傳動(dòng)比參數(shù)分析，采煤機(jī)搖臂作為采煤機(jī)滾筒的直接連接零件，對(duì)滾筒的運(yùn)行起直接決定性作用，為了改善采煤機(jī)零件運(yùn)行、設(shè)計(jì)等方面的不足，對(duì)采煤機(jī)搖臂進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)于采煤機(jī)搖臂齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是改變優(yōu)化零件的參數(shù)，使其達(dá)到在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下用最少的費(fèi)用投入實(shí)現(xiàn)最大限度的高效運(yùn)行。本實(shí)驗(yàn)利用Workbench 中提供的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊Ansys DesighXplorer，并結(jié)合CAD，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)是在一定的約束條件下，運(yùn)用數(shù)學(xué)非線性規(guī)劃方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體數(shù)學(xué)模型如下：

式中：F(X)是目標(biāo)函數(shù)；X即設(shè)計(jì)變量；gi(x)是約束函數(shù)。

圖2 優(yōu)化前后的等效應(yīng)力（MPa）圖

模擬結(jié)果如圖2 所示，左側(cè)顯示條表示受力程度的大小，右側(cè)為搖臂模擬的等效應(yīng)力圖，優(yōu)化前后的搖臂等效應(yīng)力圖，顯然可見優(yōu)化前與優(yōu)化后的應(yīng)力分布較均勻，差別不明顯，在肋板處，優(yōu)化后應(yīng)力分布更均勻一些，效果比較明顯。優(yōu)化前，試件的應(yīng)力值并不完全在應(yīng)力允許的范圍內(nèi)，優(yōu)化后，應(yīng)力分布更均勻，應(yīng)力值全部在許用應(yīng)力允許的范圍內(nèi)，優(yōu)化前的最大等效應(yīng)力為152.16 MPa，優(yōu)化后的最大等效應(yīng)力降低為130.77 MPa，降低了約15.95%，這對(duì)采煤機(jī)搖臂的改進(jìn)非常有意義。

煤礦生產(chǎn)過程中，機(jī)械設(shè)備一直處于高效運(yùn)作中，設(shè)備零件處于長(zhǎng)期高溫高壓的狀態(tài)，很容易造成疲勞導(dǎo)致設(shè)備停止運(yùn)行。傳統(tǒng)的采煤機(jī)搖臂因?yàn)槠涫芰Σ痪鶆?，在高?yīng)力的工作條件下，因受力不均勻極容易造成設(shè)備零件的損壞，從而導(dǎo)致正常生產(chǎn)停止。在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，模擬出了較為理想的搖臂等效應(yīng)力圖，整個(gè)零件受力均勻避免了設(shè)備高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受力不在許用應(yīng)力范圍造成的設(shè)備損壞。

3 結(jié)論

通過對(duì)采煤機(jī)搖臂齒輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及搖臂的優(yōu)化模擬，得到以下結(jié)論：

1）通過對(duì)采煤機(jī)搖臂齒輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，各級(jí)齒輪與行星齒輪的仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本吻合，說明了齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的正確性，對(duì)于實(shí)際的井下工作，齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在1s 的穩(wěn)定延后期，應(yīng)盡量在設(shè)備穩(wěn)定后開始工作。

2）通過對(duì)采煤機(jī)搖臂的數(shù)學(xué)模型的建立，優(yōu)化后的搖臂等效應(yīng)力從163.8 MPa 降低為137.68 MPa，降幅約為15.95%，為采煤機(jī)搖臂的改造提供了理論支持，減少了零件的生產(chǎn)制造費(fèi)用，提高了設(shè)備的使用壽命，證明了本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。

3）結(jié)合采煤機(jī)搖臂齒輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和搖臂的數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)生產(chǎn)采煤機(jī)搖臂齒輪的過程應(yīng)該考慮其長(zhǎng)期承受靜動(dòng)載荷作用以及實(shí)際工作情況而設(shè)計(jì)，在利益最優(yōu)化的基礎(chǔ)上最大限度地滿足生產(chǎn)要求。