国产大功率采煤机摇臂CAE分析
国产大功率采煤机摇臂CAE分析
作者：吴彦
摘要：通过对正在研制中的ＭＧ750/1800-ＷＤ型采煤机摇臂进行了有限元分析，得出了该采煤机摇臂在不同位置、不同工况的应力、应变规律，摸清了摇臂危险截面、极限工况、极限载荷和极限应力，提出了摇臂承载能力的优化方案。同时还对摇臂壳体固有频率、各阶振型、动力性能进行了探索性分析研究。
关键词：采煤机；有限元分析；动力学分析
我国现行采煤机摇臂壳体的设计基本上都采用传统的设计方法：根据经验和以往设计实例设计人员在纸面上设计所需的产品，根据小功率采煤机摇臂尺寸适当加大来设计更大功率的采煤机摇臂，如果出现问题或不满足预定设计要求的情况，就要修改设计，这在现实设计中确实出现了许多的问题。随着采煤机装机功率越来越大，单纯依靠经验，根据小型机器设计大功率机器和加大安全系数的方法，往往使设计产品的尺寸越来越大，结构的应力分布、变形分布、内力分布也很难得到合理保证。然而通过对采煤机摇臂进行有限元分析，可以得出采煤机摇臂壳体在不同位置、不同工况的应力、应变规律，摸清其危险截面、极限工况、极限载荷和极限应力，提出摇臂承载能力的优化方案。同时还可以对摇臂壳体固有频率、各阶振型、动力性能进行探索性分析研究。应用该技术可以在产品设计阶段预测产品质量，使产品在投入生产之前进行优化以提高产品质量，从而缩短产品开发周期，进而降低开发成本，提高市场竞争力。
1滚筒负荷计算程序编制
由于煤岩机械性质的特殊，刀具在截割过程中受较大的动载，且具有随机性，用解析方法精确计算刀具受力有着很大的困难。滚筒随机负荷包含确定性成分，这使得我们可以以经验公式加以估算。前苏联曾制定了计算刀具受力的行业标准(ＯＣＴ12.47.001-73)，就目前而言，是比较完善的，且已被广泛应用。结合上海分院1990年编制的《采煤机螺旋滚筒的参数优化、装载效率及滚筒载荷计算》，来建立滚筒负荷数据模型。
滚筒某一瞬时的负荷是指在该瞬时同时参与截割的截齿负荷的叠加，以双滚筒为例，该滚筒总截齿数为ｎｐ，滚筒上截齿Ａ(前滚筒，后滚筒为Ａ′)所处位置为初始截割位置，如图1所示。滚筒上任一截齿ｎｉ(ｉ=1，ｎｐ)相对截齿Ａ(后滚筒为Ａ′)在圆周方向的角度为ｒｊｏ(ｒａｄ)。滚筒的负荷(Ｍｐ，Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ)由处于截割区ＥＥ(或Ｅ′Ｅ′)内的齿受力合成而确定。
式中：Ｆｘｉ，Ｆｙｉ，Ｆｚｉ—第ｉ个截齿在Ｘ、Ｙ、Ｚ三方向上的分力；
Ｚｉ，Ｙｉ，Ｘｉ—第ｉ个截齿的切向截割阻力，径向阻力，侧向阻力；
ｒｉ—第ｉ个截齿距初始位置的角度，ｒａｄ，
ｒｉ=ｒｊ+ｒｊｏ；
ｒｊ—截齿Ａ(或Ａ′)在滚筒截割过程中走过的角度，ｒａｄ，ｒｊ=ω；
ω—滚筒转动角速度，ｒａｄ/ｓ；
ｒｊｏ—截齿ｉ在滚筒圆周方向上相对截齿Ａ(Ａ′)的角度，ｒａｄ。
根据以上建立的滚筒三向力负荷数学模型，利用面向对象技术和数据库技术建立了计算滚筒三向力负荷的数据库系统。
2分析模型
(1)几何模型
摇臂三维实体分析模型在SolidEdge三维造型软件中完成。完全按照摇臂的设计尺寸建立，包括摇臂壳、行星头和滚筒，保留重要部位的圆角，略去无关紧要的倒角、小孔。考虑到动力学分析时滚筒载荷加载的难度较大，故在程序中将参与截割截齿的三向力向中心等效，这样不会对摇臂壳体受力分析有很大的影响。
摇臂材料：ZG25SiMn2Mo；弹性模量：Ｅ=2.1×1011Ｎ/ｍ2；泊松比：υ=0.3；密度：ρ=78000ｋｇ/ｍ3。
(2)有限元划分
本次分析采用有限元分析软件ＭＳＣ.ＰＡＴＲＡＮ和ＭＳＣ.ＮＡＳＴＲＡＮ中进行。采用10节点的四面体单元进行网格划分。利用ＭＳＣ.ＰＡＴＲＡＮ提供的自由网格划分器，对实体模型自由划分网格，生成可靠的、高质量的体单元，如图2。为了保证分析模型的合理和计算精度，网格划分时需对支撑耳等的网格密度和网格尺寸进行合理控制和过渡，通过对四面体网格进行整形，提高了整体网格的剖分质量。划分后模型单元数：47957。
(3)边界条件
边界条件的施加包括两部分：方榫中心集中力及附加力矩的施加和三个耳处的约束的施加。三个耳处约束的施加是较为困难的，摇臂在不同位置时约束点是不同的，要根据具体工况具体分析。本文主要针对采煤机摇臂在以下两种典型工况进行有限元分析：①正常使用时的上摇臂(前滚筒)；②正常使用时的下摇臂(后滚筒)。
3有限元静力分析
本文主要针对上述两种工况下摇臂受力最大时的情况进行分析，即上摇臂上举至最高点的54.7°时、以及下摇臂中心线与机身水平线成最大夹角的23.44°时，计算出两种工况下滚筒三向力向方榫中心等效后的受力情况，见表1。
表中：Ｆｘｊ，Ｆｙｊ，Ｆｚｊ—滚筒的垂直反力，水平力和轴向反力，ｋＮ；
Ｍｐｊ—滚筒负载转矩；
Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ—截齿三向力向方榫中心等效时的附加力矩。 对上、下摇臂进行有限元分析，得到摇臂应力分布。上摇臂σｍａｘ=101.358ＭＰａ，远小于许用应力[σ]=221ＭＰａ，最大等效应力在下支撑耳处。另外，在摇臂行星头处应力也比较大，σ=98ＭＰａ左右，也是ＭＧ750/1800-ＷＤ型采煤机摇臂的薄弱处。下摇臂σｍａｘ=88.94ＭＰａ，小于许用应力[σ]=221ＭＰａ，但是比上摇臂最大应力101.358ＭＰａ小，相差12.418ＭＰａ。最大等效应力在行星头处，下支撑耳处最大等效应力仅31.95ＭＰａ，故摇臂不致失效，可以安全工作。
4动力学分析
结构动力分析不同于静力分析，常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响，同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。应进行结构自然模态分析，求出结构的各阶振型。它可以评估结构的动力特性，比如在摇臂上要安装旋转滚筒，为了避免过分的振动，必须考虑滚筒的旋转频率是否接近摇臂的某个自然频率。
(1)分析模型及边界条件
摇臂壳体动力学分析，必须考虑对摇臂动力性能有很大影响的弹性支撑油缸。将油缸简化为一接地弹簧来模拟油缸。下支撑耳与油缸(弹簧)之间梁单元相连来模拟实体连杆连接，将弹簧一端固定，另一端只保留Ｘ向移动自由度，与下支撑耳处节点相连的梁单元。在软件实现中采用约束单元将实体单元与梁单元连接起来，以保证两种类型单元(梁单元、实体单元)间力、位移传递正确。其它边界条件基本同静力学部分，其中力载荷是随时间变化的动载荷。
(2)滚筒负荷的频率特性
由于滚筒在截煤过程中负荷的频率具有多样性，模态分析得出的摇臂壳体自然模态频率应该远离滚筒负荷频率否则将导致共振的产生，加速摇臂的破坏。根据滚筒截齿布置可以计算出滚筒负荷频率：0.39、1.56、0.78、3.12、6.24、9.36、10.14、10.53、12.48Ｈｚ。
(3)摇臂壳体自然模态频率
采用Ｌａｎｃｚｏｓ法求解摇臂壳体模态。求得摇臂壳体自然模态频率和振型。表2为前5阶分析结果。
摇臂在滚筒负荷激励作用下，其振动是各阶模态振动的综合反映。可以看出，滚筒负荷最大频率为12.48Ｈｚ，而摇臂壳体最低自然模态频率为24.7517Ｈｚ，不会引起摇臂的共振。
(4)摇臂壳体的动态分析
根据滚筒负荷的计算与分析可知，在正常使用时前滚筒负荷三向力是周期变化的，图3和图4为滚筒旋转一周时的三向力变化图。
瞬态动力学分析时积分方法采用直接积分法的单步Ｈｏｕｂｏｌｔ法，根据摇臂壳体自然模态频率选取适当的积分步长Δｔ=0.002ｓ，积分时间为滚筒旋转一周用的时间2.564ｓ。利用ＭＳＣ.ＮＡＳＴＲＡＮ对在滚筒负荷作用下的系统模型进行线性动力瞬态分析。经过计算可得加载点方榫中心前33步的位移曲线如图5所示。
行星头、三轴轴孔等处的最大等效应力节点应力变化曲线如图6所示。
与静力学分析结果相比较，可知动力学分析时在油缸作为弹性支撑的影响下，摇臂应力分布规律基本不变，只是在数值上有一定的减小。
5结论
(1)对给定尺寸结构和材料参数的摇臂，计算得到的最大应力为101.358ＭＰａ，远小于材料的许用应力，滚筒负荷最大频率为12.48Ｈｚ，摇臂壳体最低自然模态频率为24.7517Ｈｚ，不会引起摇臂的共振，可以安全地工作。
(2)摇臂作为弹性支撑，使摇臂应力在数值上有所减小，但不改变应力、应变分布规律。
(3)整个分析过程具有通用性，对于同系列，使用工况相近的摇臂可以直接计算。
应用高级软件平台，如ＳＯＬＩＤＥＤＧＥ，ＭＳＣ.ＮＡＳＴＲＡＮ，ＭＳＣ.ＰＡＴＲＡＮ等，将有限元应用到采煤机械设计过程中，初步解决了将有限元技术应用到采煤机械设计中的各个关键技术。实践证明有限元技术在我国新型采煤机械的设计领域中将发挥越来越重要的作用。
参考文献：
[1]谢贻权.弹性和塑性力学中的有限单元法[Ｍ].北京：机械工业出版社，1993
[2]白忠喜.有限元单元法基础教程[Ｍ].长春：吉林科学技术出版社，1992
[3]吴彦，等.虚拟样机技术在采煤机械设计中的应用[Ｊ].煤矿机电，2003(1)(end)
采煤机摇臂壳体的静力学分析及疲劳寿命计算
采煤机摇臂壳体的静力学分析及疲劳寿命计算
王连生;王海超
【期刊名称】《中国煤炭》
【年(卷),期】2022(48)S01
【摘 要】采煤机在工作过程中,采煤机摇臂在不同的工况下受力条件不同,在交变应力的影响下容易造成采煤机摇臂壳体的疲劳破坏,因此需要对采煤机摇臂壳体的受力和工作寿命进行评估。通过对采煤机摇臂壳体进行静力学计算分析发现,当摇臂与水平面成43.1°时,形变与应力达到最大。通过采煤机摇臂的疲劳寿命分析发现,电机腔与摇臂直齿轮腔过渡处以及电机腔周围为薄弱环节,应加强设计;摇臂煤壁侧耳座连接螺栓孔应力较大,在日常检修过程中,应加强煤壁侧连接螺栓的检查频次。
【总页数】6页(P386-391)
【作 者】王连生;王海超
【作者单位】国能神东煤炭集团有限责任公司哈拉沟煤矿
【正文语种】中 文
【中图分类】TD403
【相关文献】
1.基于ANSYS和MSC Adams协同仿真的薄煤层采煤机摇臂壳体疲劳分析2.采煤机摇臂惰轮轴疲劳寿命探讨3.采煤机摇臂惰轮轴疲劳寿命探讨4.不同工况下采煤机摇臂壳体静力学的分析5.采煤机摇臂内齿圈与壳体连接组件强度分析与改进
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采煤机摇臂齿轮轴结构特性分析
煤矿现代化2020年第2期总第155期
0引言采煤机作为煤矿综采工作面主要设备之一，为了保证煤炭顺利开采，要求采煤机具有较高的可靠性。摇臂齿轮箱的作用是给综采工作面采煤机截割煤壁传递动力，同时经常发生故障的部件，已经成为采煤机机械部分可靠性最薄弱环节，严重制约了综采工作面的产量。通过故障统计分析发现，由于煤矿井下工作环境复杂、工作条件恶劣，二轴总成上的齿轮及轴承经常发生故障，对于整个齿轮箱的使用性能及可靠性有很大的影响，因此针对该齿轮轴总成，对其进行力学分析，以期找到其失效原因，提出相应措施，提高齿轮轴总成的结构性能，为采煤机的设计以及优化改进提供了理论依据，从而达到采煤机可靠性开采的目的。1采煤机摇臂齿轮箱结构摇臂齿轮箱是采煤机截割部的重要组成部分之一，通过摇臂齿轮箱，将截割电机的动力传递到滚筒，从而实现落煤和装煤。采煤机摇臂齿轮箱有以下几个特点：1）电机齿轮轴的一端连接电机输出轴，将电机的动力传递至二轴，另一端连接液压制动器。2）惰轮组的作用是传递动力，不调整速度大小。3）牵引轴与中心齿轮组相连，是装置的第二级减速部件，所受载荷较大。4）中心齿轮组包括大齿轮和太阳轮，分别与上级牵引轴和下级行星减速器的行星轮相连，动力最终传递给行星轮。5）牵引行星减速器为两级行星减速，两级行星轮个数分别为三个和四个，行星架和太阳轮都是浮动结构，可使内部行星轮受力均匀。
图1采煤机摇臂齿轮箱结构图其中二轴总成上的齿轮及轴承经常发生故障，齿面点蚀剥落、断齿等导致停机维修，给生产带来严重采煤机摇臂齿轮轴结构特性分析赵聪慧（山西煤炭进出口集团煤业管理有限公司晋南分公司，山西蒲县041200）摘要：摇臂齿轮箱是采煤机经常发生故障的设备，尤其是二轴总成上的齿轮及轴承故障率最高，严重影响了整个齿轮箱的使用性能及可靠性。因此，针对采煤机摇臂齿轮箱结构的特点，对该齿轮轴进行受力分析，同时利用Solidworks软件建立了三维模型，并利用ANSYS软件对齿轮轴展开了静力学和模态分析，从结构设计、装配、检查与维修三个方面提出了提高摇臂齿轮轴结构特性的措施，为采煤机的设计以及优化改进提供了理论依据，从而达到采煤机可靠性开采的目的。关键词：采煤机；摇臂齿轮箱；齿轮中图分类号：TD42；TH165.3文献标识码：A文章编号：1009-0797（2020）02-0086-03AnalysisofthestructuralcharacteristicsofthegearshaftoftheshearerrockerZHAOConghui（ShanxiCoalImportandExportGroupCoalManagementCo.,Ltd.JinnanBranch,ShanxiPuxian,041200）Abstract:Rockergearboxisaequipmentthatoftenfailstheshearer,especiallythehighestfailurerateofgearandbearingonthesecondaxleassembly,whichseriouslyaffectstheperformanceandreliabilityoftheentiregearbox.Therefore,inviewofthecharacteristicsoftheshaftrockergearboxstructure,thegearshaftisanalyzed,thethree-dimensionalmodelisestablishedusingSolidworkssoftware,andthestaticandmodalanalysisofthegearshaftiscarriedoutbyUSINGANSYSsoftware,fromthestructuraldesign,assembly,Theinspectionandmainte-nanceofthreeaspectsputforwardmeasurestoimprovethestructuralcharacteristicsoftherockergearshaft,forthedesignoftheshearerandoptimizetheimprovementofthetheoreticalbasis,soastoachievethereliableminingpurposesoftheshearer.Keywords:Shearer;RockerGearbox;Gear
采煤机摇臂铰接轴改造设计分析
采煤机摇臂铰接轴改造设计分析
摘要 开滦钱家营矿业分公司引进的各型采煤机，摇臂与机身牵引部联接结构部分的铰接轴，购进时均采用双头锥形轴，在实际生产运用中发现，经常出现摇臂与牵引部连接的铰接轴抱死，影响摇臂正常升降同时造成拆卸困难的问题。根据实际情况，我们从设计与使用两个方面进行分析研究，提出对该结构的改进设计方案，并予以实施，取得良好效果。
关键词 采煤机；摇臂铰接轴；改进方案；总结
0引言
开滦钱家营矿业分公司从2000年开始引进交流变频电牵引采煤机，先后共引进MG200/500-AWD型六台、MG-400/930型一台、MGTY300/710-1.1D型五台、MGTY650/1605型两台、MG2×125/580-WD型一台，以适应现代化矿井生产需要。各型机组左右摇臂减速器的升降结构，均为左右摇臂减速器壳体与机身牵引部机壳铰接，左右摇臂的小支臂与左右调高油缸铰接，通过油缸实现摇臂的回转升降。生产检修过程中，经常出现摇臂与牵引部连接的铰接轴杯磨损后，又将轴抱死，而影响摇臂正常升降以及拆卸困难问题。此问题直接影响机组正常运行，给检修、运输、维护都造成障碍。于是对各型机组的铰接轴陆续进行改造，使该部位结构安全可靠且便于安装检修。
1 故障分析
1.1原铰接结构概述
各型机组左右摇臂减速器壳体与机身牵引部机壳铰接结构在出厂时均相同。本文仅以MG200/500-AWD型采煤机为例进行阐述。原铰接结构装配如图示：铰接轴结构由锥套1、轴杯2、轴套3、双锥形铰接轴4组成。轴杯2及轴套3材质为黄铜，锥套1与双锥形铰接轴4由三条M16×45的内六方螺栓联接，构成旋转铰接机构。此结构黄铜轴杯2与轴套3容易磨损，铰接轴设计成双锥的优点是轴易拆卸且不易窜动损坏。
改造前铰接结构装配示意图
1.2故障分析
在本故障现象中，黄铜套呈明显磨损严重变形，由于黄铜具有较好的塑性与流动性，与铰接轴接触表面磨擦有擦伤和撕脱现象。锥套锁死铰接轴不能起旋转作用，且拆卸困难。双锥轴及锥形销的设计优点根本能体现出来。在运动副中，磨损是不可避免的，磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面的形状。摩损速度稳定、
浅谈采煤机摇臂的故障分析和检修方式
浅谈采煤机摇臂的故障分析和检修方式
滚筒式电牵引采煤机是现在各大煤矿集团主要使用的采煤机型，采煤机摇臂的使用寿命直接影响着回采工作面的生产进度和产量，也直接影响着煤矿年产量和效益，随着回采工作面的推进采煤机摇臂作为截割煤的主要工作部件，出现故障是不可避免的，如何采取有效的检修方式延长采煤机摇臂的使用寿命是提高产量和开机率的关键。
标签：采煤机摇臂；故障分析；检修方式
1 引言
在现代化的煤矿生产中，由于采煤机自动化水平和装机功率的普遍提高，在井下工作面回采过程中，各设备、各系统的联系非常紧密，因而采煤机的故障，哪怕是局部的失灵，都会造成整个设备的停转，整个回采工作面的停采。采煤机的摇臂是采煤机正常工作重要部件，也是采煤机损耗最快最容易发生故障的部件，采煤机摇臂的故障给煤矿带来巨大的经济损失、造成严重的事故甚至是人身伤害的例子举不胜举。正因为如此，各煤矿尤其是大型煤矿集团都十分重视采煤机摇臂故障及其日常维修工作。在采煤机摇臂的维修中，研究故障的目的是查明故障模式，寻求采煤机摇臂故障机理，探求减少故障发生的方法，提高采煤机的可靠程度和有效利用率。
2 故障模式
采煤机摇臂的故障必定有外在的特征，它们反映出采煤机摇臂发生的物理的、化学的异常现象，并导致采煤机摇臂的截割功能的丧失。这些物质状况和特征称为故障模式，可以通过人的感官或测量仪器得到具体的表现。
（1）属于采煤机摇臂的齿轮材料性能方面的故障如疲劳、断裂、裂纹、蠕变、材质劣化等，通常出现在工作面较长采煤机摇臂长期使用后出现。
（2）屬于采煤机摇臂内化学、物理状况异常方面的故障如腐蚀、油质劣化、密封圈劣化、浮动封变形等，通常出现在工作面较长采煤机摇臂长期使用后出现。
（3）属于采煤机摇臂运行状态方面的故障如振动强烈、润滑油渗漏、异常噪音等，通常出现在地质条件劣化和采煤机使用不当情况下出现。
（4）属于采煤机摇臂多种原因的综合表现如磨损和摇臂壳体的变形和断裂，通常在上面三点发生后出现。
采煤机摇臂齿轮轴结构特性分析 2
采煤机摇臂齿轮轴结构特性分析
摘要：随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，摇臂齿轮箱是采煤机经常发生故障的设备，尤其是二轴总成上的齿轮及轴承故障率最高，严重影响了整个齿轮箱的使用性能及可靠性。因此，针对采煤机摇臂齿轮箱结构的特点，对该齿轮轴进行受力分析，同时利用Solidworks软件建立了三维模型，并利用ANSYS软件对齿轮轴展开了静力学和模态分析，从结构设计、装配、检查与维修三个方面提出了提高摇臂齿轮轴结构特性的措施，为采煤机的设计以及优化改进提供了理论依据，从而达到采煤机可靠性开采的目的。
关键词：采煤机；摇臂齿轮箱；齿轮
引言
采煤机摇臂齿轮箱其工作环境为矿山、煤矿，因为矿山整体工作环境的复杂性和恶劣性等诸多原因，导致采煤机摇臂齿轮箱故障常发，加之一些人为操作上的因素，现阶段在我国煤矿开采中的煤矿机损坏问题十分严重，这直接导致采矿业的成本增加，亟需予以改善。基于此，本文以采煤机摇臂齿轮箱故障诊断为研究方向，对当前应用较广的常见故障诊断方法进行介绍，并对故障机理进行探究，提出相应的故障规避措施，意在提供一些该领域的参考，降低采煤机摇臂齿轮箱使用故障发生率。
1采煤机摇臂齿轮的运动学分析
煤矿的安全高效生产离不开人员的严格管理以及设备的高效正常运行。在煤矿系统的运行中，落煤、装煤、运煤、顶板的支护工序间必须严格操作执行才能保证高效安全的生产。在落煤的过程中，采煤机是煤矿综合机械化采煤的重要设备，因为其长期抗压、耐高温、强度大等优点而被广泛使用。采煤机摇臂齿轮作为直接与煤壁接触达到落煤效果的重要零件，因为其长期承受高速运作摩擦产生的高温、煤矿不稳定的静动压力等各种复杂因素的影响，齿轮极容易造成磨损、运行强度下降、零件疲劳等各种损坏。
2采煤机摇臂齿轮轴结构特性
2.1齿轮轴力学分析
根据采煤机摇臂的工作情况，以及齿轮轴的受力特点，利用弯扭合成的原理，对齿轮轴进行力学分析以及强度校核。齿轮轴上的力分解为水平和竖值两个方向，等效为集中作用力，作用在齿宽的中点。支座反力的位置与轴承参数有关，包括轴承的类型、安装位置以及轴承的安装方式。
采煤机摇臂力学分析与结构优化
・１０・ 煤矿机 电 ２００８年第４期
采煤机摇臂力学分析与结构优化
杨瑞锋，臧怀庆，成文广
（三一重型装备有限公司，辽宁沈阳１１００２７）
摘要： 以ＭＧ７１０一ＷＤ型采煤机摇臂为研究对象，在两种工况条件下，用ＡＮＳＹＳ软件对摇臂危
险截面进行有限元分析，得到等效应力分布情况及疲劳寿命，为摇臂的结构优化提供理论参考。
关键词： 采煤机；摇臂；有限元分析；结构优化 中图分类号：ＴＤ４２１．６ １ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—０８７４（２００８）０４—００１０—０２
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｈｅａｒｅｒ Ｒａｎｇｉｎｇ Ａｒｍ
Ｅ４ＮＧ Ｒｕｉ－ｒｅｎｇ，ＺＡＮＧ Ｈｕａｉ・ｑｉｎｇ，ＣＨＥＮＧ Ｗｅｎ－ｇｕａｎｇ
（Ｓａｎｙｉ Ｈｅａｖｙ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １００２７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄａｎｇｅｒｏｕｓ ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｅａｒｅｒ ｒａｎｇｉｎｇ ａｒｍ ｉｓ ａｔｔａｉｎｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＭＧ７ １０－ＷＤ ｓｈｅａｒｅｒ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｕｎｄｅｒ ｔｗｏ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄ ｔｈｅ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ａｒｅ ａｔｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｎｇｉｎｇ ａｒｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｓｈｅａｒｅｒ；ｒａｎｇｉｎｇ ａｎｎ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
采煤机截割部摇臂壳体力学及模态分析研究
InternalCombustionEngine&Parts0引言滚筒采煤机是目前综采的关键设备，结构主要包括中间箱、牵引部、行走部和截割部。截割部所消耗的功率约占采煤机功率的80%左右，包括摇臂和滚筒两部分。在综采过程中，截齿撞击煤层的同时，摇臂受到交变载荷的作用，在复杂工况下频繁进行作业，其振动位移直接影响摇臂结构的变形，致使结构的断裂。对摇臂进行瞬态动力学分析，实时监测位移变化情况，能够保证摇臂的正常运行。本文采用有限元法对摇臂壳体进行力学及模态分析，为采煤机截割部的稳定运行及优化设计提供参考价值。1采煤机摇臂三维模型运用ANSYS软件进行采煤机摇臂壳体的建立，如图1所示，材料的属性为：弹性模量E=200GPa，密度籽=7800kg/m3，泊松比滋=0.3，进行自由网格划分，如图2所示，单元数为15540，节点数为26565。2模态分析模态分析是煤矿机械设备进行动力响应的基础，是研究结构动力特性的一种分析方法。由表1可知，截割部摇臂壳体模态分析中的12阶固有频率0耀4868Hz，提取前六阶非零模态振型，而前6阶为刚性模态，频率为0，第7阶耀第12阶频率见表1所示。在采煤机工作过程中，应该尽量避开振型的变形较大频率，以免发生共振及疲劳破坏。图3为截割部摇臂壳体的前六阶非零模态振型，由图3可知，摇臂壳体在不同的频率下，振型变形的最大值和最小值不同，即变化趋势不同。第7阶振型最大变形约为28.46mm，最小约为0.06mm，而第8阶振型最大变形约为41.86mm，最小约为0.02mm，变形最大值开始向增大的趋势发展。第7阶振型为俯仰挥舞，第8阶振型为径向挤压并伴随扭转变形，该两阶振型之间存在一定的耦合关系，即第7阶振型是基础，在一定程度上影响第8阶振型，第8阶振型变形量较大，需要避免在该频率下工作，以免发生结构的破坏。第9阶振型相对于第8阶振型的变形最大值趋于减小，最大变形约为25.95mm，最小约为0.03mm，第10阶振型最大变形约为87.3mm，最小约为0.02mm，然而，该振型最大值的变形发生的结构面积很小，整体呈蓝颜色，第9阶与第10阶振型整体的颜色构成对比，但各个振型颜色的变化趋势缓和，即变形量的变化趋势没有出现极端变化现象。第11阶与第12阶振型，下端孔出现变形，但是上部颜色区域呈现蓝色，变化较为平缓，工作时应该时刻监测下端孔的振动频率，避免孔变形量过大导致零件的损坏。通过各个振型的变形情况分析，为实际工作中的截割部摇臂壳体的运行提供参考，尤其应该注意变形量过大的振型对应频率范围，避免发生结构的断裂。采煤机截割部摇臂壳体力学及模态分析研究ResearchonMechanicalandModalAnalysisofCoalCutterCuttingPartRockerArm薛占璞XUEZhan-pu（河北科技大学机械工程学院，石家庄050018）（SchoolofMechanicalEngineering，HebeiUniversityofScienceandTechnology，Shijiazhuang050018，China）摘要院针对采煤机截割部摇臂壳体的动力学特性要求较高的问题，运用有限元软件ANSYS建立三维结构模型，在复杂工况下进行瞬态动力学及振动分析，得到模态振型图及位移响应变化曲线。结果表明，采煤机截割部摇臂壳体的前六阶非零模态振型的总变形满足力学性能要求，在一定载荷作用下的瞬态动力学分析中，应力及位移变化云图符合动力学变化规律。该结果为采煤机截割部摇臂壳体的正常运行及优化设计提供参考价值。Abstract:Aimingatthehighrequirementofdynamiccharacteristicsoftherockerarmshellofshearercuttingpart,athree-dimensionalstructuralmodelisestablishedbyusingfiniteelementsoftwareANSYS.Transientdynamicsandvibrationanalysisarecarriedoutundercomplexworkingconditions,andthemodalshapediagramanddisplacementresponsecurveareobtained.Theresultsshowthatthetotaldeformationofthefirstsixnon-zeromodeshapesoftherockerarmshelloftheshearercuttingsectionmeetstherequirementsofmechanicalproperties.Inthetransientdynamicanalysisunderacertainload,thestressanddisplacementchangenephogramconformstothedynamicchangelaw.Theresultsprovideareferencevalueforthenormaloperationandoptimaldesignoftherockershelloftheshearercuttingsection.关键词院摇臂；模态分析；力学；等效应力；总变形Keywords:rockerarm；modalanalysis；mechanics；equivalentstress；totaldeformation
采煤机侧置式摇臂的分析研究
第３３卷第５期 ２００２年９月 太原理工大学学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＴＡＩＹＵＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ０Ｆ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．５ Ｓｅｐ． ２００２
文章编号：１００７—９４３２（２００２）０５—０５５１－０４
采煤机侧置式摇臂的分析研究
武维承
（山西矿业职业技术学院） 孟瑞荫
（平朔煤炭工业公司安太堡矿）
摘 要：在分析采煤机侧置式摇臂受力状况的基础上，论证了采煤机侧置式摇臂若干结构参数
之间的关系、滚筒截齿的磨损程度和调高油缸的支承位置等对摇臂危险断面处承受力矩形式和大
小的不同影响，对采煤机摇臂结构设计具有指导意义。
关键词：采煤机；侧置式摇臂；磨损程度
中图分类号：ＴＤ４２１．６ 文献标识码：Ａ
由于侧置式摇臂不影响大块煤的通过，有利于
增大卧底量和扩大采高范围，便于破碎机在采煤机
机头的安装，故大多数中厚煤层双滚筒采煤机都采
用这种摇臂结构。但现场使用表明，有些采煤机的侧
置式长摇臂（大于１．５ ｍ），程度不同地出现了摇臂
壳裂纹破坏或摇臂连接螺栓折断破坏等现象，因此
有必要对侧置式摇臂的结构型式及受力状态进行研
究。
１ 常用侧置式摇臂结构及存在问题
１．１侧置式摇臂结构
侧置式摇臂的基本结构Ｌｌ 有两种，一种是整体
结构，另一种是螺栓连接的分体结构。
整体结构的摇臂，摇臂壳体和装在固定减速箱
内的摇臂轴套（空心轴）是一个整体铸件。其特点是
结构件少，结构简单紧凑，但加工工艺复杂，装配不
便，且摇臂壳体弯曲部应力集中，是一个薄弱环节。
螺栓连接的分体式摇臂，摇臂壳体与空心轴套
端头的扇形法兰盘用若干螺栓连接。其特点是结构
体和连接件较多，但壳体和空心轴易于加工，拆装方
便，也不会产生严重的应力集中现象。
１．２存在的问题
整体式摇臂，由于摇臂壳体弯曲部的应力集中
较严重，使用中常常在壳体与摇臂轴套弯曲处的内
侧近处产生裂纹破坏，且不能修复，损失较大。
电牵引采煤机摇臂振动测试与故障分析
一 … ～ Ｌ１．Ｉ覃煤，￣ＳＨＡＮ…ＸＩ！。９ 一 一…～
文章编号：１６７２—５０５０（２０１ １）１ １－００４４—０３
电牵引采煤机摇臂振动测试与故障分析
贾俊明
（太原东山王封煤业有限公司，山西太原０３００５２）
摘要：以ＥＤＷ－１５０－２Ｌ型电牵引采煤机的摇臂机械故障为例，对其结构和传动特点进行了介绍，通过比较出厂时
的振动信号和＿Ｔ－作２４７ｄ时的振动信号，可知其摇壁某些零部件可能出现了机械故障，利用包络解调谱法对所获取的故障信
号进行处理，通过与故障特征频率的比较，确定了故障的具体部位，验证了该方法的有效｜｝生和优越｝生。为采煤机的检测提供
了理论依据。 关键词：采煤机摇臂；振动测试；故障分析 中图分类号：ＴＤ４２１ 文献标识码：Ａ
采煤机是机械化采煤作业的主要机械设备，
能否安全稳定的运行，直接决定着整个煤矿的安
全和产能。随着生产的发展和技的进步，采煤机的
功率越来越大，因运行可靠性高、牵引特性良好、
使用寿命长、效率高、动态特性好、可用于大倾角
煤层等优点，电牵引采煤机在世界的各大小煤矿
中得到了极为广泛的应用［１］。可见，对电牵引采煤
机建立一套有效的检测方法对于整个煤矿产业极
为重要。本文以ＥＤＷ一１５０—２Ｌ型电牵引采煤机的 摇臂振动信号为例来的分析采煤机摇臂中机械故
障中常见的轴承故障。
１ ＥＤＷ－Ｉ ５０－２Ｌ型电牵引采煤机摇臂
的结构
ＥＤＷ一１５０—２Ｌ型电牵引采煤机摇臂的结构，
见图１。由图ｌ可见，该摇壁为六轴的定轴轮系，齿
轮２和齿轮３为一根轴上的双联齿轮。该采煤机
截割电机的额定转速为１４７０ｒ／ｍｉｎ，其摇臂减速器
上的各轴的齿轮齿数和轴承型号，如表ｌ所示。
２信号的采集
对采煤机各部分定期的检修是目前各大煤矿
使用的普遍方法，但这做法可能会存在三种不好
的后果：第一，使用未达到设计寿命而出现故障的
零部件定期报废，结果使得各零部件的使用率降 轴器
大采高电牵引采煤机摇臂结构模态分析
第１期（总第１６４期） ２０１１年２月 机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴ０ＭＡＴ１０Ｎ ＮＯ．１ Ｆｅｂ．
文章编号：１６７２—６４１３（２０１ｔ）０１—００１２—０３
大采高电牵引采煤机摇臂结构模态分析
谢贵君 。，杨兆建 ，王义亮
（１．太原理工大学机械＿Ｔ－程学院，山西 太原０３００２４；２．太原矿山机器集团有限公司，山西 太原０３００３２）
摘要：应用ＵＧＳ软件建立了某新型大采高电牵引采煤机摇臂的三维实体模型，并应用ＡＮＳＹＳ软件对其进行
了结构模态分析。通过对摇臂前ｌ６阶模态特征的分析，得出以下结论：该摇臂的各阶模态频率偏低，表明摇
臂质量较重，有利于对摇臂的振动进行抑制；第５阶模态的振型特征及最大振幅发生位置正好是摇臂断裂的多
发位置，在摇臂设计中应对此给予足够的重视；除第５阶外，其余各阶模态对摇臂整体的强度和可靠性影响不
大。
关键词：大采高；滚筒式采煤机；摇臂；模态分析
中图分类号：ＴＤ４２１．６ 文献标识码：Ａ
０ 引言
摇臂在滚筒式采煤机中承担着安装截割部传动系
统、支撑采煤机截割滚筒和调节滚筒高度的任务。在
采煤机工作过程中，作用在截割滚筒上的截割阻力和
牵引阻力传递到摇臂上，使摇臂承受着强烈波动的动
载荷。摇臂在这种动载荷作用下发生结构振动，如果
激振力中的某个主要频率成分与摇臂的某个模态频率
足够接近，就会在摇臂上激发剧烈的振动响应，影响
采煤机正常工作，严重时可能导致摇臂断裂及其他零
件的破坏。随着采高范围的加大，采煤机截割功率和
摇臂的结构尺寸都日益增大，因此摇臂的振动问题就
更加突出，对摇臂动力学特性的研究也就更为必要。本
文应用ＵＧＳ软件建立某新型大采高电牵引采煤机摇
臂的三维实体模型，并应用ＡＮＳＹＳ软件对其进行结
构模态分析。
１摇臂三维模型的建立及边界条件
根据摇臂的二维工程图建立的三维实体模型如图
１所示。考虑到摇臂上的一些细小结构（如小孔、圆角