吕晓丹 LV Xiao-dan；暴庆保 BAO Qing-bao；杜伟 DU Wei
（太重煤机有限公司，太原 030032）
（TZ Coal Machinery Co.，Ltd.，Taiyuan 030032，China）
摘要：本文应用软件UG NX7.5对采煤机滚筒座进行了有限元静力分析，得到了滚筒座在采煤机满载作用下的应力分布，对滚筒座的强度进行了校核，并对其结构进行了优化。本文对滚筒座等零件及其采煤机的设计具有较大的借鉴意义。
Abstract： The FEA for cutting drum holder is taken by the software UG NX7.5 in this paper. The stress distribution of the driving wheel has been obtained. The strength of the cutting drum holder has been checked， and its structure is optimized. This paper will be helpful for the research of the shearer and the parts like cutting drum.
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关键词 ：采煤机；滚筒座；有限元分析；优化
Key words： shearer；cutting drum holder；finite element analysis；optimizing
中图分类号：TD421 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）19-0150-02
作者简介：吕晓丹（1981-），女，山西长治人，硕士，毕业于太原理工大学，现任太重煤机有限公司工程师，从事CAE分析研究。
0 引言
滚筒是采煤机截割煤壁的主要执行部件，滚筒座是滚筒与摇臂内行星减速装置之间的联接零件，在采煤过程中起着极其重要的作用。采煤机截割煤壁时受冲击较大，滚筒座所能承受载荷强度的大小，直接影响滚筒是否能正常运转，而滚筒座确切的受力位置及大小却不知道。为了校验滚筒座在采煤机满载作用下的受力与变形情况，本文应用软件UG NX7.5对滚筒座进行了高级有限元静力分析，并根据分析结果对其结构进行了优化。
1 有限元模型的建立
1.1 建立三维实体模型 700kW采煤机摇臂由电动机驱动，经过减速传动装置，将扭矩和力通过滚筒座传递到滚筒，从而驱动滚筒截割煤壁，其机械传动原理如图1所示。
滚筒座所受转矩由电动机通过减速装置的输出行星架传递，通过螺栓联接传递给滚筒，其具体的受力情况较难确定，需根据实际联接形式对滚筒座与其主要连接件之间定义接触或粘合，才能准确计算出滚筒座的受力情况，故对滚筒座、滚筒、行星架、支撑轴承及挡圈一起建模，其三维实体装配模型如图2所示。
1.2 建立有限元模型
1.2.1 几何模型理想化 对滚筒、滚筒座、行星架、挡圈等三维几何模型理想化，去掉实体模型上对有限元分析结果影响较小的倒角、倒圆、小孔等特征，便于提高网格精度、减小有限元模型计算规模。但滚筒座在拆卸轴承用孔处较薄，且孔周围易形成应力集中，此处为重点分析部分，故此处的圆角等不可简化。
1.2.2 划分网格 考虑到软件的计算速度与准确性，根据各模型结构分别对滚筒、滚筒座、行星架、挡圈进行拆分并划分网格。滚筒FEM有355784个单元、74270个节点。为方便施加载荷，在滚筒质心向左偏移至直径2m处创建空间点，与滚筒的左半面截齿安装面建立1D连接。装配FEM共有477874个单元，135243个节点，其模型如图3所示。
2 边界条件及载荷的定义
2.1 建立仿真对象 由于滚筒座与滚筒之间通过螺栓联接与四个方形面传递扭转和力，故将滚筒座与滚筒之间均定义为面对面接触；滚筒座与行星架通过花键及其附近的上下圆周面传递弯矩和转矩，故滚筒与行星架间除花键联接定义为粘合外，其余均定义为接触；轴承对滚筒座起支撑和定位作用，故滚筒座与其支撑轴承之间均定义接触；挡圈通过螺栓联接与行星架连接在一起，对滚筒座起定位作用，故挡圈与行星架之间定义粘合，挡圈与滚筒座之间定义为接触，如图4所示。
2.2 施加约束 行星架通过轴承安装在摇臂上，可绕轴旋转，故在其轴承安装面处施加z轴旋转释放、其余均固定的自定义约束；向行星架安装行星轮用孔处分别施加销钉约束；向滚筒座轴向固定轴承处圆环面施加z轴固定、其余均释放的自定义约束，向滚筒座支撑轴承外圆面施加固定约束，如图5所示。
2.3 施加载荷 采煤机截割煤壁时，滚筒受截割反力Fc、侧向力Fs、牵引阻力Fdf三个力。截割反力、侧向力由截割电机驱动滚筒截齿割煤产生，截割反力方向沿圆周切向方向，侧向力沿轴向方向。牵引阻力由牵引电机驱动采煤机前进克服摩擦产生，方向与前进方向相反。它们的大小分别为：
3 计算结果
滚筒座在采煤机满载时受力产生应力的大小，直接决定着滚筒座是否能够正常工作，决定着采煤机的滚筒是否能够截割煤壁并装煤，需进行校核。由图7、图8可知，滚筒座所受的最大应力为248.52MPa，且出现在滚筒座安装轴承用孔处。孔边缘拐角处应力集中较大，其余部分产生的应力均小于200MPa。滚筒座使用材料42CrMo的屈服应力为930MPa，安全系数为3.74，此时的滚筒座强度满足设计要求。
但由于滚筒的孔边缘拐角处应力集中较大，采煤机在工作中，如有连接螺栓的松动，可能从应力集中的孔边缘处撕裂滚筒座，故需对滚筒座进行结构优化。
4 优化
将滚筒座存在应力集中的位置处结构进行优化，去掉原滚筒座上存在应力集中的三个小台阶通孔，并将安装密封处底部R2圆角改为R5，以减小此处的应力集中。修改后的滚筒座应力分布云图如图9所示，滚筒座应力集中大大减小，其应力分布云图变化均匀，所受最大应力降为163.96MPa，减少了约34%，。优化后的滚筒座的安全系数增大为5.67，结构更简单，强度大大提高，满足优化要求。
5 结语
①本文通过滚筒座及其主要连接件间定义接触或粘合，对滚筒座进行了静力分析，得到了滚筒座在采煤机满载作用下受应力的情况，对滚筒座的强度进行了校核。并根据有限元分析结果对滚筒座结构进行了优化，使其结构简化，安全强度增大，制造方便。②本文对滚筒座进行的有限元分析，具有一定得实用价值，并为滚筒座及其相邻零部件、相似零件的优化和制造提供了科学的参考数据，对采煤机的研究具有一定的借鉴意义。
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参考文献：
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