采煤机行走部销排强度分析与优化策略研究_徐艳飞.pdf

采煤机行走部销排强度分析与优化策略研究徐艳飞（晋能控股装备制造集团，山西晋城048006）摘要：针对某煤炭企业服役采煤机销排使用现状，借助 ANSYS Workbench 有限元仿真分析软件，开展了采煤机行走部销排强度分析，包括三维建模、材料属性设置、网格划分、约束载荷施加、仿真分析及后处理工作。结果表明，销排销齿与销排体连接的位置存在较为明显的应力集中情况，有必要进行强度优化，以适应更加繁重的采掘工作要求，之后提出了销排结构优化的策略，以期为采煤机销排的设计优化工作提供参考。关键词：采煤机行走部销排强度分析优化策略中图分类号：TD421.6文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0159-02引言随着我国经济社会的飞速发展，煤炭资源的需求量与日俱增，煤炭行业对采煤设备的要求越来越高1。采煤机作为煤碳开采工作的主要设备，其工作的安全性和可靠性要求较高，一旦出现问题将会导致较大的经济损失2-4。销排作为采煤机行走部的关键部件，服役环境较复杂，出现故障概率较高，现已引起煤炭行业的关注5-6。针对某煤炭企业服役采煤机销排使用现状，运用 ANSYS仿真技术手段，进行采煤机行走部销排强度分析与优化策略研究工作意义重大。1采煤机行走部销排结构行走部主要组成包括驱动轮、输出花键轴、行走轮子、销排齿轨、导向滑靴等，是直接移动采煤机正常开采作业的设备。行走传动系统输出端花键轴连接驱动轮，驱动轮通过啮合旋转将动力传输至行走轮，行走轮与固定在中部槽上的齿轨啮合而使采煤机行走。采煤机行走机构牵引大多使用链式结构，伴随采煤机采掘工作的量的不断增加，牵引力及功率不断增大，对行走部销排强度等要求越来越高，必须引起高度重视。销排工作过程中经常出现断裂、销排拉断、变形破坏等，因其与行走轮啮合工作，销排故障时整个采煤机均陷入停滞状态，故而，提高销排的使用寿命及结构强度意义重大。2销排强度分析2.1三维模型建立根据煤炭企业现有的销排技术资料及实际测绘数据，运用 SolidWorks软件完成了节距尺寸为 126mm的六齿销排三维模型的建立。为了保证仿真计算效率，未考虑销排结构中对仿真计算结果影响较小的倒角等特征。2.2材料属性销排模型建成导入 ANSYS 仿真软件，开始材料属性设置。由采煤机随机技术资料得到销排材料牌号为 40CrMnMo，仿真计算参数包括：弹性模量的数值是206 GPa，泊松比的数值是 0.3，屈服强度的数值是 785MPa，抗拉强度的数值是 980 MPa。2.3网格划分销排完成材料属性设置之后进行网格划分工作，实体结构选择 Solid187 十节点四面体单元类型，为了提高计算效率，对销齿附近和凸头销孔处进行了细化，其他部位网格划分较疏。完成网格划分的销排模型如图 1 所示，统计结果显示，销排模型的单元数为138 756 个，节点总数为 225 541 个。2.4约束和载荷施加销排约束和载荷的施加依据其实际使用情况完成，销排工作时是由两个销孔和中部槽上的元宝座固定的，销轴穿过销孔与元宝孔联接限制销排的自由度。仿真分析过程中设置约束时，将销孔是指为位移约束，现在其在 X、Y、Z 方向的移动。销排工作环境较为复杂，在采煤机总重 40 t、单电机驱动功率为 55kW、牵引速度为 1020 m/min 条件下计算得出导向滑靴作用于销排沿 Z 方向的力为 103.3 kN，等效于销排顶面载荷数值之后施加于销排表面，结果如下页图 2 所示。3仿真计算结果与分析3.1仿真结果基于上述销排有限元仿真参数设置结果，完成了销排结构强度的分析计算分析计算，结果中销排的应力和变形分布云图，分别如下页图 3 和下页图 4 所示。收稿日期：2022-03-22作者简介：徐艳飞（1987），女，湖北汉川人，硕士研究生，毕业于三峡大学，机械工程师，从事煤矿产品研发工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.062图 1销排有限元模型XYZ优化改造机械管理开发第 38 卷3.2结果分析由图 3 所示的销排应力分布云图可以看出，销排销齿与销排体连接的位置存在较为明显的应力集中现象，最大的应力数值为 233.7 MPa，在销齿啮合表面、销排体和销齿过渡的位置、两个销孔上部均出现了不同程度的应力集中情况。进一步观察可以发现，销齿啮合面位置的应力分布云图呈现出了 C字形状，呈现出了中间位置的应力较小而两齿廓边缘位置应力较大情况，除此之外的其他位置受力较为均匀。综上，销排工作过程中的最大应力数值为 233.7 MPa，计算得到销排材料 40CrMnMo的许用应力=392 MPa，相较于销排最大应力数值，销排强度满足使用要求。但是，应力集中位置的最大应力数值与材料的许用应力较为接近，并且随着采煤机工作总量的不断加大，提高销排的强度依然是设计者需要考虑的问题。由图 4 销排变形分布云图可以看出，工作过程中销排的销齿啮合表面的变形较为明显，销排体前端附近位置的变形量最大，其数值为 0.13610-6mm，相较于销排实际使用过程中的精度要求很小，能够很好地满足行走轮在最大载荷下与销齿的工作要求。4优化策略基于图 3 销排的仿真计算结果，得出了销排销齿与销排体连接的位置存在较为明显的应力集中现象，恶劣环境条件下工作的销排存在破坏的隐患。为了进一步优化销排的强度等级，提出了以下优化策略，用于指导技术人员进一步的开展销排设计工作。1）对销排齿面进行修整，主要从销排齿面存在应力集中并且呈现出 C形状的情况入手，可以将销排中的销齿顺着宽度的方向修整呈鼓形结构，以此降低销排齿面的应力集中情况，改善行走轮偏斜时与销齿的啮合接触状态；2）在原来的结构尺寸基础上适当地提高销齿和销排体过渡位置的倒角尺寸或者换成圆角，以便改善销齿和销排体过渡位置的应力集中程度；3）提高两个销孔位置的圆角半径，避免销排孔位置出现较为明显的应力集中情况，同时也能够降低销孔周围的应力数值；4）销排制作过程中对销齿表面进行强化处理，包括喷丸处理、碾压处理等，以此提高齿面的强度和耐疲劳性能；5）销排机加工过程中提高销齿齿面位置的加工精度，使其表面的粗糙度数值降低，以此改善销齿与行走轮之间的啮合条件，提高销排的接触强度。5结语销排作为采煤机行走部不可或缺的部件，其工作的强度好坏直接与其功能实现息息相关。针对某煤炭企业服役采煤机销排使用现状，借助有限元仿真分析软件，开展了采煤机行走部销排强度分析工作，结果表明，销排销齿与销排体连接的位置存在较为明显的应力集中情况，需要进一步优化设计，以提高销排工作的可靠性。基于销排应力集中现状，提出了切实可行的优化策略，以便更好地指导技术人员开展销排的优化设计工作。参考文献1武健康，王义亮，杨兆建.采煤机整机动力学研究及行走轮受力分析J.太原理工大学学报，2017，48（5）：783-787.2范小燕.关于采煤机行走机构使用中的啮合特性研究J.矿业装备，2019（5）：30-31.3范庆刚.关于采煤机行走轮与销排之间的啮合特性分析J.煤，2019，28（11）：41-43.4郑治宇.采煤机齿轨轮啮合分析 J.现代矿业，2019，35（11）：207-210；213.5刘乐.采煤机行走轮轮齿性能的优化研究 J.机械管理开发，2020，35（4）：52-54.6郭伟.基于 ANSYS 的采煤机行走机构销排结构特性分析J.机械管理开发，2019，34（4）：88-89；92.（编辑：王慧芳）图 2销排的约束与加载图 3销排应力（MPa）分布云图图 4销排变形（mm）分布云图.2087452.1062104.004155.901207.79926.157578.055129.952181.85233.747.303E-07.606E-07.909E-07.121E-06.151E-07.454E-07.757E-07.106E-06.136E-060（下转第 163 页）1602023 年第 2 期与节能，2021（10）：194-195.2郭鹏阁.基于 VSE 软件的矿井通风系统优化研究J.山东煤炭科技，2021，39（3）：103-106.3张志伟.浅析自然风压对矿井通风系统的影响及对策J.山东煤炭科技，2021，39（8）：102-104；117.4韩文娟.合理选择通风设备确保矿井通风系统安全运行J.中国高新科技，2021（13）：88-89.5张啟先.矿井通风系统与安全监控系统存在的问题及对策分析J.科技创新与应用，2022，12（6）：143-145.6苏鹏祥.煤矿矿井通风技术及通风系统优化策略分析J.矿业装备，2022（1）：114-115.7裴治巧，李忠敬.矿井通风基础计算理论在解决通风系统问题中的运用J.内蒙古煤炭经济，2021（18）：154-155.8赵斌.基于 BP 神经网络的矿井通风系统可靠性预测系统J.山西焦煤科技，2021，45（11）：32-34.9邓禾苗，刘杰，张悦，等.基于 AHP-TOPSIS 法的高原矿井通风系统方案优选J.化工矿物与加工，2021，50（9）：1-6.10蒋成龙，杨应迪，黄建达.基于 OpenGL 的矿井三维可视化通风系统构建J.煤矿安全，2022，53（1）：128-133.11吉振东.基于 BP 神经网络算法的矿井通风系统可靠性研究J.能源与节能，2021（4）：155-157.12邓玉彬，周益龙，林永生，等.红岭钨矿矿井通风系统方案优化研究J.湖南有色金属，2021，37（2）：5-7；15.（编辑：李俊慧）Analysis of Ventilation System Optimization and Transformation for Improving MineVentilationWang Jianwei（Wangcun Coal Company,Jinneng Holding Coal Group,Datong Shanxi 037032）Abstract:In view of the problems of unreasonable air volume distribution and serious energy consumption in the ventilation system,adynamic simulation analysis of the ventilation system was carried out,and two optimization and transformation solutions were analyzedbased on the three-dimensional dynamic simulation software.The results show that,among the two proposed optimization solutions,solution2 is more reasonable in terms of air volume distribution and reduces the energy consumption of the system,which is simple and easy toimplement and can better improve the ventilation of the mine.Key words:ventilation system;dynamic simulation;air distribution;optimisationStrength Analysis and Optimization Strategy of the Pin Row of Shearer Traveling PartXu Yanfei（Jinneng Holding Equipment Manufacturing Group,Jinch