MG450_1050型采煤机截割部优化设计研究.pdf

李国星MG450/1050型采煤机截割部优化设计研究（山西焦煤西山煤电马兰矿，山西太原0 3 0 2 0 0）摘要：为解决采煤机在满负荷工况下因振动、负载导致的采煤机截割部壳体断裂等问题，本文采用ANSYSWorkbench软件对MG450/1050-WD型采煤机滚筒截割部壳体受力状态进行分析，得出采煤机截割部壳体的应力集中点；对采煤机截割部进行优化设计，提高结构强度；并对优化后的采煤机截割部壳体进行有限元分析，验证其是否满足要求。关键词：采煤机截割部；应力集中；有限元分析中图分类号：TD421.6*1文献标志码：BResearch on Optimum Design for the Cutting Unit ofMG450/1050 Coal Winning MachineLI Guo-xing(Malan Mine,Xishan Coal Electricity Group Co.,Shanxi Coking Coal,Taiyuan 030200,Shanxi)Abstract:The article aims to address the problem of cracking to the cutting unit case of the coal winning machineduo to vibrations and loads under the full load.It analyzes the force conditions of the roller cutting unit for MG450/1050-WD coal winning machine with ANSYS Workbench and finds the stress concentration point.The article also provides theoptimum design for the cutting unit,improves its structural strength,and conducts the finite element analysis on theoptimized cutting unit case and verify to see if it can fulfill the requirements.Key words:cutting unit of the coal winning machine;stress concentration;finite element analysisWD型采煤机截割部高度不足及过煤量偏低等1引言问题，本文运用Workbench软件对采煤机截割部采煤机截割部，作为承受最大载荷的核心组件,其设计的合理性对整机工作性能具有至关重要的影响。鉴于煤矿井下作业环境的复杂性和多变性，采煤机截割部常常面临壳体强度不足的问题,这可能导致整体结构的断裂，进而严重干扰采煤作业的正常进行。为解决MG450/1050-进行受力分析，旨在为采煤机截割部的优化提供科学依据叫。2采煤机截割部组成MG450/1050-WD型采煤机，其装机功率达到10 50 kW，截割功率为2 450 kW。该机型专收稿日期：2 0 2 3-11-0 82024年第1期安装机械艺幼琪19凿岩机械气动工具（总第19 4期）为0.9 5-1.9 5m厚度的煤层设计，且适用于煤层倾角小于等于15的工作环境。机身结构紧凑、短小、轻薄，使其对薄煤层的开采具有出色的适应性。截割部作为采煤工作中的核心组件，直接与煤岩体接触，承载着沉重的工作载荷，截割部的性能直接关系到整机的工作效率和工作质量。鉴于其在采煤过程中的重要地位，对采煤机截割部的优化非常重要。采煤机截割部由截割电机、减速箱、滚筒、冷却系统和内喷雾系统等关键部件构成，各部分协同工作以实现高效、安全的煤炭开采作业2。截割电机和机械减速部分都集中在摇臂壳体和行星机构当中，摇臂是截割部最主要的部件，见图1。1.内喷雾系统2.行星机构3.减速齿轮组4.截割电机5.壳体图1MG450/1050-WD型采煤机截割部3买采煤机截割部的受力分析3.1螺旋滚筒受力分析MG450/1050-WD型采煤机所使用的滚筒直径为1.2 5m。采煤机整机功率的8 0%被螺旋滚筒消耗，滚筒是直接与采煤工作面接触的工作部件，对滚筒的受力分析是改进采煤机的基础。采煤机在工作状态下主要受到滚筒重力G、割煤时滚筒的截割阻力Pz采煤机前进时滚筒的推进阻力P,和滚筒所受轴向力A,的作用（见图2),因受煤层的物理特性的随机变化等其他因素的影响，滚筒受力的大小和作用点都在不断变化，分析受力时难以精确计算，只能尽量接近3 。PyT AzTPz图2 摇臂壳受力简图经计算，滚筒推进阻力P=160.2kN滚筒截割阻力P,=246kN,正常工作状态下滚筒轴向力Az=10.7kN,计算过程略去。3.2摇臂壳的三维建模采煤机截割部在满负荷工作状态下相比其它的工作部件要承受更大载荷，采煤机工作环境恶劣，不仅会产生变形和扭转等现象，严重时会产生摇臂整体断裂，因此在设计摇臂壳体时必须要满足采煤机满负荷工作时的强度和刚度要求。根据MG450/1050-WD型采煤机的二维图纸运用SolidWorks三维建模软件绘制截割部壳体三维模型。3.3改进前摇臂壳的Workbench分析本次对采煤机截割部摇臂壳体主要进行静力分析和模态分析。通过SolidWorks建模软件构建的三维模型换成x_t格式直接导入到Workbench中。采用（Automatic）自动划分网格，如图3 所示。模型构建完成后，需为模型配置材料属性，采煤机的摇臂壳体选择的材料是ZG35,惰轮选择的材料为40 Cr,材料力学性能见表1。根据采煤机最大工作阻力的角度（采煤机截割部与水平面成最大角度3 5左右），对四个连接孔施加固定约束。实际工况下采煤机在达到最大采高的时候所需的牵引力最大，所以应以采煤机最大牵引力工作时进行分析。采煤机截割部20安机械汽幼具2024年第1期MG450/1050型采煤机截割部优化设计研究.000.001000.00500.00图3 摇臂壳体的网格划分表1强度极限,MPaZG3550040Cr980壳体主要受到三个方向的阻力，具体的添加约束的方向如图4所示。500.002000.00(mm)258.001500.00(a)摇臂壳体的应力云图屈服极限,MPa30078510020mml.00108.0ml73020（b）摇臂壳体的位移变形云图图5摇臂壳体的应力云图K=g,/g=300/214.125=1.4。在最恶劣工况下，采煤机壳体材料安全系数为1.41.5。达不到规定要求，存在截割部整体断裂风险。4采煤机截割部优化图4施加受力约束位置3.4改进前采煤机截割部壳体的有限元分析结果及处理经过Workbench软件对壳体进行有限元分析,获得了应力云图5(a)和位移变形云图5(b)。通过对这些云图的观察与分析，识别出了壳体上的应力最大点，并据此确定了最大变形量。由图5可以识别出最大应力值的位置。这一最大应力值出现在截二轴与壳体之间的配合处，数值为2 14.12 5MPa。此外，我们还发现最大位移变形位于壳体的下端过渡区域。安全系数本文的主要目标是优化采煤机截割部壳体的设计，旨在提高采煤机的采高和过煤空间性能，同时确保传动比和传动关系的稳定。为实现这一目标,我们提出了改进惰轮轴,包括惰一轴、惰二轴、惰三轴齿数的方案,以增大惰轮的外径，进而延长摇臂长度。这一改进方案有望显著提高采煤机的采煤效率。采煤机截割部的改进位置见图6。4.1采煤机截割部壳体结构优化采煤机截割部的惰轮轴，其作用只传递截轴之间扭矩，依据此原理通过增加齿数的途径改变2024年第1期安装机械艺幼2 1凿岩机械气动工具（总第19 4期）惰一轴惰二轴惰三轴汇图6 采煤机截割部的改进位置=7%惰一轴齿轮的外径。根据图纸,惰一轴齿轮的参数为m=6、z=3 1、齿轮的齿顶圆直径为d=m(z+2)=6x33=198(mm)经测量，采煤机截割部壳体的内部垂直空间为3 0 0 mm,对惰一轴进行优化需弄清其齿轮安装位置等信息。惰轮轴优化步骤如下。齿轮轴右端距壳体边缘距离为58 mm，壳体右端有R10倒圆角,齿轮轴水平方向向右平移最大距离至48 mm;将惰一轴齿轮轴在水平方向向右平移42 mm,齿数增大到45齿，齿顶圆直径增大到2 8 2 mm，采煤机截割部壳体可增加8 4mm。经过惰轮轴的结构改进,惰一轴直径增加84 mm,惰二轴、惰三轴增加14 mm,共计增加113.32mm。通过增加采煤机截割部壳体的长度，可提高采煤机过煤量和采煤机采高，进而提升采煤机的工作效率，降低能耗。4.2采煤机截割部壳体强度优化图7 最大应力集中点位置评估采煤机截割部壳体的安全性能，发现其当前的安全系数1.4未能达到预设的标准要求。为了进一步明确问题所在，我们参考了如图5所示的应力云图，发现采煤机的最大应力集中点在图7 中的圈标记处。原设计中I与II交接处缺乏明显的倒圆角设计，这使得采煤机的截割部在极端工作条件下面临整体断裂的风险。为此对截割部的应力集中部位进行了增厚,并在I与II交接处实施倒圆角处理，倒圆角半径R=100mm。改进后的采煤机截割部壳体与原始设计相比，壳体长度显著增加，弯曲部分也得到了延长，显著提升了采煤机的过煤性能和工作效率。4.3改进前后采煤机采高的提升计算MG450/1050-WD型采煤机未改进之前，截割部长度为17 3 6 mm。经过一系列的优化升级后，截割部的长度增加了113.3 2 mm,达到18 50 mm。经计算，改进前后采煤机最大采高分别为2 110 mm、2260mm。采煤机采高提升率H-H _ 2260-2110H改进后的采煤机采高提升7%，这一改进不仅增加了过煤空间，还显著提高了采煤机在工作211022安装机械艺劫2024年第1期MG450/1050型采煤机截割部优化设计研究0.00500.20250.00100.0(mm)750:.000.00500.00250.00100.0(mm)750.00（a）摇臂壳体的应力云图图8 采煤机摇臂壳体应力云图环境中的适应性和效率。形云图，综合分析得到采煤机截割部壳体的最大应力值，计算得出材料安全系数，为采煤机截割5截割部优化后的Workbench分析部优化提供参考。优化前采煤机截割部壳体经过ANSYS(2)根据分析结果，对采煤机截割部传动系Workbench分析，应力最大点虽未达到屈服极统中惰轮增加齿数、增大惰轮轴直径,并对应力限，但存在截割部整体断裂风险。将优化后采煤集中处进行加厚且倒圆角处理。优化后采煤机机截割部壳体实体模型导人Workbench软件，由过煤空间及采高得到明显提升。于优化后采煤机截割部壳体受力和固定位置都参考文献：没有发生改变，网格划分、施加固定约束力均保1樊鹏飞基于正交试验的采煤机扭矩轴结构参数优持不变。分析得出采煤机摇臂壳体应力云图8化研究J。河北化工，2 0 2 2(4):0 45.（a）、位移变形云图8(b）。优化后采煤机摇臂壳2马泽贤：采煤机扭矩轴喉颈结构优化设计研究机械管理开发，2 0 2 0，3 5(11)：3.体最大应力集中值为18 8.8 3 MPa,最大位移变形3高凤伟采煤机扭矩轴卸荷槽结构优化研究J。机为0.0 0 0 9 5。安全系数K=g/g=300/188.83=1.6。械管理开发,2 0 2 1,3 6(6):3.当采煤机处于最为严苛的工作环境时，其所承受的最大应力值为18 8.8 3 MPa，该值低于壳体材料的屈服极限。这表明，在当前工作条件下，壳体材料能够承受该应力而不发生塑性变形,材料的安全系数K满足相关规定的要求。采煤机的其余部分所受应力分布相对均匀，不存在明显的应力集中区域。采煤机在当前工况下是安全的，能满足设计要求。6结论(1)本文利用ANSYSWorkbench软件对截割部壳体进行有限元分析，得出应力云图、位移变（b）摇臂壳体位移变形云图2024年第1期安装机械汽幼具23