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摘要：模拟掘进机实际工况，运用UG NX7.5有限元分析方法，通过对截割主轴的受力分析，计算出掘进机在升降力和回转力同时存在的情况下，截割主轴的危险截面及对其强度的校验。
关键词：掘进机；截割主轴；有限元分析；校验
FEM and Verification to Dangerous Section of Cut Main Spindle of Roadheader Using UG
Yang Mei，Han Zhong-liang，Xiong Shi-wei，Zhang Cheng-lin
（TZ Coal Machinery Tai Yuan Mining Machinery Group Co. Ltd，Taiyuan 030032，China）
Abstract：Simulating the actual operating modes of roadheader which is in a circumstance of both elevating and cornering force，conduct the stressed analysis of the cut main spindle by using finited element analysis method of UG NX7.5 so as to calculate its dangerous section and its strength.
Key words：digging machine；cut main spindle； finite element analysis；verification
0 引言：
掘进机截割臂是掘进机的关键部件，其性能好坏直接影响掘进机的工作效率。它由截割电机经过二级行星减速机驱动截割头进行割煤作业，由升降油缸和回转油缸控制。其中的截割主轴的设计对其产生直接影响。因此本方案根据掘进机的实际工况，利用高级仿真计算截割主轴的危险截面，并验证设计的可行性。
1 模型受力分析：
截割臂机构（如图1）主要由一根截割主轴、两个轴承、一个外筒体和部分轴套、垫圈等组成，主轴尾部花键与电机输出轴连接，通过电机传递扭矩给主轴，主轴再通过前端花键带动截割头转动割煤。截割主轴斜向上运动，受升降力和回转力，再根据力矩平衡原理，回转和升降油缸油压力取最大25MPa时，计算出截割主轴受的升降力和回转力。
1.截割头轴 2.旋转组合密封3.密封架 4.外筒体 5.轴套
6.轴承 7.轴套 8.挡圈9.轴承 10.隔套 11.圆螺母 12.花键套
图1截割主轴机构部分装配图
图2截割主轴三维实体模型
2 有限元分析：
（1）建模并理想化几何模型
轴承对截割主轴的影响很大，因此将其简化建模成两个空心柱体，内径比装轴承处轴径大1 mm，便于做接触。
将一些对结构强度几乎没有影响但是对网格精度以及有限元模型计算规模影响较大的斜角、倒圆角、花键等简化掉。用1D钢性杆连接到截割头截齿端部便于施加载荷。将两个装轴承的地方利用分割面分割出线便于加接触。
分别对截割主轴、轴承1、轴承2进行网格划分。具体数据见下表：
单元类型 单元大小 单元数量 节点数量
截割主轴 3D四面体网格 8 267822 54110
轴承1 3D六面体网格 5 93616 109782
轴承2 3D六面体网格 5 30940 35700
新建装配有限元模型，把各部件有限元模型分别映射进去：
图3装配有限元模型
（2）边界条件及载荷
模拟真实情况，两个重要轴承定位和支撑主轴，有径向力传递，所以分别在两个轴承处做接触，静摩擦系数为0.15，并将其全约束。尾部也全约束。在花键处直接施加扭矩。升降力和回转力集中施加在1D连接的点上。截割主轴的边界条件和载荷加载情况如图4所示。
图4边界条件及载荷
3 计算结果
（1）位移分析
计算结果显示，截割主轴最大位移0.710mm，设计要求位移为1.82mm,满足设计要求。位移云图如图5所示。
图5截割主轴位移云图
（2）应力分析
由图6可见，截割主轴在前端轴径相差最大处的应力集中较明显，此处也是应力最大处，值为372.62MPa，去除应力集中点，该处平均应力值为243.67MPa。因此该处为危险截面。但所用材料為42CrMo，许用应力[σ]为690～840MPa，远大于危险截面处应力值，设计方案可行。由图7又见，轴承处的应力也比较大，因此对轴承应选用强度高，质量好的轴承，以免影响掘进机正常工作。强度安全系数可由研究所设计人员根据计算结果选择轴承及局部加强措施，最终确定足够的安全系数。
图6截割主轴应力云图
图7轴承处应力云图
参考文献：
李景涌. 有限元［M］. 北京：北京邮电大学出版社，1998.
程居山. 矿山机械［M］. 徐州：中国矿业大学出版社，2005.
陶驰东.采掘机械［M］. 北京：煤炭工业出版社，1985
成大先，王德夫.机械设计手册［K］.北京：化学工业出版社，2004.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：掘进机；截割主轴；有限元分析；校验
FEM and Verification to Dangerous Section of Cut Main Spindle of Roadheader Using UG
Yang Mei，Han Zhong-liang，Xiong Shi-wei，Zhang Cheng-lin
（TZ Coal Machinery Tai Yuan Mining Machinery Group Co. Ltd，Taiyuan 030032，China）
Abstract：Simulating the actual operating modes of roadheader which is in a circumstance of both elevating and cornering force，conduct the stressed analysis of the cut main spindle by using finited element analysis method of UG NX7.5 so as to calculate its dangerous section and its strength.
Key words：digging machine；cut main spindle； finite element analysis；verification
0 引言：
掘进机截割臂是掘进机的关键部件，其性能好坏直接影响掘进机的工作效率。它由截割电机经过二级行星减速机驱动截割头进行割煤作业，由升降油缸和回转油缸控制。其中的截割主轴的设计对其产生直接影响。因此本方案根据掘进机的实际工况，利用高级仿真计算截割主轴的危险截面，并验证设计的可行性。
1 模型受力分析：
截割臂机构（如图1）主要由一根截割主轴、两个轴承、一个外筒体和部分轴套、垫圈等组成，主轴尾部花键与电机输出轴连接，通过电机传递扭矩给主轴，主轴再通过前端花键带动截割头转动割煤。截割主轴斜向上运动，受升降力和回转力，再根据力矩平衡原理，回转和升降油缸油压力取最大25MPa时，计算出截割主轴受的升降力和回转力。
1.截割头轴 2.旋转组合密封3.密封架 4.外筒体 5.轴套
6.轴承 7.轴套 8.挡圈9.轴承 10.隔套 11.圆螺母 12.花键套
图1截割主轴机构部分装配图
图2截割主轴三维实体模型
2 有限元分析：
（1）建模并理想化几何模型
轴承对截割主轴的影响很大，因此将其简化建模成两个空心柱体，内径比装轴承处轴径大1 mm，便于做接触。
将一些对结构强度几乎没有影响但是对网格精度以及有限元模型计算规模影响较大的斜角、倒圆角、花键等简化掉。用1D钢性杆连接到截割头截齿端部便于施加载荷。将两个装轴承的地方利用分割面分割出线便于加接触。
分别对截割主轴、轴承1、轴承2进行网格划分。具体数据见下表：
单元类型 单元大小 单元数量 节点数量
截割主轴 3D四面体网格 8 267822 54110
轴承1 3D六面体网格 5 93616 109782
轴承2 3D六面体网格 5 30940 35700
新建装配有限元模型，把各部件有限元模型分别映射进去：
图3装配有限元模型
（2）边界条件及载荷
模拟真实情况，两个重要轴承定位和支撑主轴，有径向力传递，所以分别在两个轴承处做接触，静摩擦系数为0.15，并将其全约束。尾部也全约束。在花键处直接施加扭矩。升降力和回转力集中施加在1D连接的点上。截割主轴的边界条件和载荷加载情况如图4所示。
图4边界条件及载荷
3 计算结果
（1）位移分析
计算结果显示，截割主轴最大位移0.710mm，设计要求位移为1.82mm,满足设计要求。位移云图如图5所示。
图5截割主轴位移云图
（2）应力分析
由图6可见，截割主轴在前端轴径相差最大处的应力集中较明显，此处也是应力最大处，值为372.62MPa，去除应力集中点，该处平均应力值为243.67MPa。因此该处为危险截面。但所用材料為42CrMo，许用应力[σ]为690～840MPa，远大于危险截面处应力值，设计方案可行。由图7又见，轴承处的应力也比较大，因此对轴承应选用强度高，质量好的轴承，以免影响掘进机正常工作。强度安全系数可由研究所设计人员根据计算结果选择轴承及局部加强措施，最终确定足够的安全系数。
图6截割主轴应力云图
图7轴承处应力云图
参考文献：
李景涌. 有限元［M］. 北京：北京邮电大学出版社，1998.
程居山. 矿山机械［M］. 徐州：中国矿业大学出版社，2005.
陶驰东.采掘机械［M］. 北京：煤炭工业出版社，1985
成大先，王德夫.机械设计手册［K］.北京：化学工业出版社，2004.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。