采煤机滚筒螺旋叶片调节式压制模具设计与研究

梁宝英，郤智强，王永清

（1.山西大同大学机电工程学院，山西 大同 037003；2.晋能控股煤业集团白洞矿业大同有限公司，山西 大同 037003；3.山西大同大学计算机与网络工程学院，山西 大同 037009）

螺旋滚筒是现代采煤机最关键的部件，而螺旋叶片是滚筒的主要零件，承担着输煤和装煤的主要任务，其结构参数合理与否，直接影响着滚筒的输煤和装煤效率以及工作稳定性，所以螺旋叶片的压制成形质量尤为重要[1]。不同的采煤机螺旋滚筒其叶片参数不同，压制螺旋叶片模具参数就要与之相对应。目前所用的螺旋叶片的压制模具是不可调节的，且只有三种规格，参数在一定范围内的叶片使用同一个压制模具压制，导致实际生产的螺旋滚筒叶片参数与设计参数误差较大，严重影响滚筒工作性能，装煤效果不理想。

目前国内外专家学者对采煤机滚筒螺旋叶片的压制模具方面有一定研究[2-5]，但这些专家学者都是对叶片固定模具相关的压制工艺、模具结构、模具尺寸计算方法等进行研究，并未涉及螺旋叶片自动调节式压制模具的研究。

螺旋叶片的几何参数较多，其中螺旋升角是叶片非常重要的一个参数，其大小直接影响滚筒的装煤效果[6]。因此，本文提出一种螺旋叶片自动调节式压制模具，可实现在不更换采煤机螺旋滚筒叶片压制模具的条件下，通过调节压制模具一些参数，就可使待压制的叶片螺旋升角和节距满足设计要求，从而提高叶片压制精度、工作效率和自动化程度。

1 叶片自动调节式压制模具结构设计

1.1 压制模具结构方案设计

采煤机滚筒螺旋叶片压制模具包括一个上模和一个下模，上模与下模结构相同，它们主要包括一个基板、四个可动筋板、一个固定筋板、四个电缸、八个液压缸、四对连接板、四个支撑底座等。其中固定筋板、四对连接板、四个支撑底座均固定在基板上，四个可动筋板对称布置在固定筋板两侧，并且分别放置在支撑底座圆弧形凹槽中，各通过一根销轴与一对连接板连接，每个可动筋板上各铰接一个电缸，通过电缸可使可动筋板绕固定支点摆动；每个可动筋板两端下方各安装一个液压缸，用于支撑可动筋板，防止筋板在承受工作载荷时摆动，下模结构示意图如图1所示。

图1 下模结构示意图

当启动电缸工作时，会推动可动筋板绕固定支点摆动，当摆到设计角度时，电缸就停止工作，此时可动筋板两端下方液压缸开始工作，当接触到可动筋板，即停止工作。如果将待压制螺旋叶片放置在上、下模之间，启动压力机，上模移动，直到完成叶片的冲压成形。

1.2 筋板参数设计

本文设计的螺旋叶片自动调节式压装模具，适合采煤机滚筒直径为1.4 ～1.8 m螺旋叶片的压制。由于上、下模结构一样，现取上模为研究对象。叶片宽度一般在400 mm左右，为保证压制模具能够完全压制螺旋叶片，取每块筋板工作面长度为460 mm，每块筋板厚度为50 mm，每两个相邻筋板之间夹角取10。将上模向水平方向投影，这五块筋板在水平投影面上的投影呈扇形，见图2。

图2 筋板布置水平投影示意图

1.3 可动筋板摆动角度的确定

下面以外径Dy=1 120 mm、内径Dg=550 mm、螺距Sy=727 mm、外缘升角αy=11°、叶片高度H=550 mm的螺旋叶片为例计算筋板摆动角度。

如图3 所示为螺旋叶片水平投影图，其形状为一扇形，为方便计算，按照筋板摆放位置10°统一划线。

图3 螺旋叶片水平投影（长度单位：mm）

1）叶片轴向截面图绘制

由于滚筒螺旋叶片展开图为直角三角形，其中一条直角边为叶片高度，另一条直角边为外螺旋线在水平投影下投影圆的弧长，记为S，由三角函数关系可得：

式中：H为叶片高度；αy为外螺旋升角；S为外螺旋线水平投影圆弧长。

将H=550 mm，αy=11°分别代入式（1），可得S=2 829.5 mm。

螺旋叶片的包角θ（见图3）为：

式中：Dy为叶片外径；S为外螺旋线水平投影圆弧。

将S=2 829.5 mm、Dy=1 120 mm 分别代入式（2）得θ=289.5°。

以滚筒筒体轴线为y轴，叶片高度中点为原点，水平方向为x轴建立坐标系。下面分别计算叶片水平投影面包角角度为θ1=10°、θ2=20°处叶片的高度、内外径上点距原点水平距离。设水平投影面包角为10°、20°处相对应的叶片高度分别记为y1、y2，由一定比例关系可得：

叶片不同包角处内、外径上点距原点水平距离可由图3求出。设图3中叶片水平投影包角为10°、20°处内、外半径上点距原点的水平距离分别为x1、x2、x3、x4，其值分别为：

由此可得水平投影包角10°、20°处叶片内、外径上的点在xoy坐标系上的坐标值分别为a（x1，y1）、b（x2，y1）、c（x3，y2）、d（x4，y2），以此类推做出不同包角位置处内、外径上点的坐标，见表1，并将其用光滑曲线相连，即得螺旋叶片在轴向截面的曲线图形，见图4 中实线图形。

表1 叶片各计算参数

图4 叶片轴向截面曲线图

由式（2）可知：叶片螺旋包角θ对应的中间螺旋线弧长Sm为：

由式（1）可得弧长Sm对应的中间螺旋升角αm为：

在轴向截面曲线图上做出其中间螺旋线，见图4中双点划线图形。

2）筋板摆动角度计算

在实际压制中由于压制模具是按叶片中间螺旋线水平位置放置，故将轴向的截面图形以对称点为中心将中间螺旋线旋转至水平，见图4中双点画线图形。

对于中间螺旋线升角直线LN，其方程表达式为：

式中：A=tanαm，B=-1，C=0

叶片内任意点到此直线的距离为：

由式（4）可计算出在叶片轴向截面曲线图中内、外半径上各点到以上直线的距离，即内外径各点移动高度，见表1。每个可动筋板的调高距离根据电缸在筋板上的安装位置来计算，再根据可动筋板的调高距离即可确定可动筋板需要调节的摆动角度。

2 压制系统额定负载的确定

基于ABAQUS 软件的显式动力学分析方法，结合现场压制情况采用分段压制，根据螺旋叶片成型后变形量确定系统的工作负载。现取一种规格螺旋叶片进行分析，螺旋叶片主要参数见表2，压制完成的叶片其内外径距中线螺旋线的距离在20～25 mm之间，根据所压制叶片成型后参数构建左、右模具的三维模型，其装配示意图如图5所示。

表2 螺旋叶片主要参数

图5 装配示意图

调节式压制模具及坯料的材料均取Q345B，其力学性能见表3。

表3 Q345B力学性能

压制系统整体采用六面体网格进行离散化处理，并对坯料与模具的接触面进行局部网格细化处理，确定网格单元的数量为52 104。

通过分析将模具定义为刚体，将坯料定义为弹性体，二者之间采用“通用接触”的接触方式。对模具施加位移约束，根据模型距离选取合适的位移约束，使得左右模具相互靠近，压制叶片胚料。约束左侧模具的所有自由度，对右侧模具施加沿Z轴负向大小为122.5 mm的位移载荷。叶片坯料位移云图如图6。

图6 压制过程叶片坯料位移云图

提取压制过程中随着位移载荷的施加，模具所受来自叶片坯料的作用力随时间变化，如图7 所示。由图可见，当作用时间超过0.2个单位时间时，模具所受载荷峰值为3 373 kN，因此，取压制系统额定负载为34 t。

图7 模具受力随时间变化曲线

叶片应力分布图如图8所示，由图可见，坯料在最外侧受应力最大，与实际生产相符合。

图8 叶片坯料应力分布图

3 压制模具的静力学分析

利用Ansys Workbench 对叶片调节式压制模具进行静力学分析[7-8]。由于调节式压制模具的上、下模均由4 组结构相同部件组成，现取下模其中一组螺旋叶片在压制成型过程受力最大部件进行分析。

3.1 可动筋板受力情况

取该组部件可动筋板摆动角度在15°位置进行分析，可动筋板主要承受系统压力F、支撑液压缸的作用力F1以及支撑底座的作用力F2，其中F=680 kN，F1=16 kN，筋板受力情况如图9所示。

图9 筋板受力情况

3.2 几何模型建立

本文采用Solid187单元，由10个节点定义，每个节点有3 个自由度，得到26 个实体在x、y、z方向上的分布。按照设计图纸尺寸通过Solidworks 软件对所要分析的压制模具部件进行简化，一些较小的尺寸部件以及一些工艺孔、倒角等，由于对分析结果影响不大，故可去掉，并在建好的模型上抑制了螺栓销轴等部件。

3.3 约束参数设置

导入几何模型之后，调节式压制模具在ANSYS中模型的边界条件见表4。

表4 模型边界条件

3.4 网格划分

在ANSYS中一般优先选用映射网格划分，当不能使用映射网格划分时，考虑选用自由网格作为补充。定义单元尺寸5，定义划分质量为Medium，对耳板、销轴孔、螺栓孔等局部网格进行细化，最终节点数量为863 122，总单元数577 205，如图10所示。

图10 几何模型划分网格图

定义材料属性，主基板架与可动筋板均为Q345B，液压缸组件为45#钢结构，力学参数见表5。

表5 45#钢力学性质

3.5 计算结果

通过有限元分析得出其整体部件以及其中各零件的等效应力分布图，如图11所示。

图11 等效应力图

由上图可以看出，整体部件最大应力发生在筋板端部下方圆弧过渡处，其值为170 MPa，小于可动筋板许用应力265 MPa，符合静强度要求。

因此调节式模具在静载荷作用下，能够安全可靠地工作。

4 结束语

采煤机滚筒螺旋叶片自动调节式压制模具，模具结构简单、合理，操作方便，可通过调节可动筋板摆动的角度，使待压制螺旋叶片螺旋升角精确达到设计要求，从而提高了螺旋叶片压制精度、效率和自动化程度，具有很高实用价值和推广应用价值。