采煤机的稳定可靠运行对煤矿综采工作面的安全高效生产至关重要。采煤机摇臂作为连接滚筒与机身的关键部件，在复杂恶劣的工作环境中承受着变载荷和强冲击载荷作用。摇臂在长时间运行中，其壳体持续受到拉、压、弯和冲击，在这多重应力作用下易发生变形，进而影响采煤机的整体性能与运行安全。摇臂壳体循环变形会导致摇臂齿轮系传动过程中的振动，从而影响整个传动系统的稳定，加剧摇臂壳体疲劳损坏，造成壳体断裂^[1]。

目前，许多学者已经对摇臂壳体进行了相关研究。如：张义民等^[2]利用MATLAB软件对摇臂传动系统进行了非线性动力学分析，获得了系统关键部位的应力谱数据，并构建了疲劳寿命可靠性模型，通过四阶矩法评估了结构参数对系统可靠性的影响；李磊等^[3]通过瞬态动力学与模态分析发现，采煤机摇臂壳体在瞬时负载作用下，齿轮传动箱与电动机仓、行星头的相交处都存在应力超限的薄弱区，且前6阶模态振幅集中于行星头，研究结果为摇臂壳体结构的优化提供了理论依据；赵燕辉^[4]分析了摇臂传动系统与壳体耦合前后固有频率的变化，并对壳体进行了模态分析；付晓等^[5]针对圆柱壳体承载效率的局限，提出了变曲率壳体设计方法，基于薄膜理论和无矩理论建立了非闭合母线旋转壳体的应力与屈曲载荷计算模型，采用广义等强度壳体理论评估了不同构型耐压壳体的承载能力；赵丽娟等^[6]提取了采煤机滚筒截割含夹矸煤岩时的动态载荷，对摇臂壳体进行了寿命预测；Wang等^[7]利用摇臂销轴荷载预测滚筒载荷，构建了摇臂销轴滚筒向载荷的相关力学方程，推导了基于摇臂铰链耳销轴力的滚筒载荷预测模型；杨阳^[8]等基于集中质量法，建立了采煤机截割电机转子与滚筒的平移-扭转耦合动力学模型，计算了相关动力学参数。

现有研究主要集中在摇臂传动系统与壳体的耦合关系、齿轮啮合、疲劳损伤与破坏等方面，对摇臂壳体变形规律的系统性研究较少。基于此，本文深入探究采煤机摇臂壳体在不同夹矸工况下的变形规律，以期为摇臂的优化设计提供理论依据。

采煤机摇臂通过上、下铰耳与行走机构和推移油缸相连。推移油缸驱动摇臂围绕轴销转动，从而调节采煤机截割部的高度，以适应不同的采煤条件。摇臂壳体受力如图1所示。图中：N1x、N2x、N3x、N4x，N1y、N2y、N3y、N4y，N1z、N2z、N3z、N4z分别为铰链接头1、2、3、4受到的x、y、z方向的反作用力；Px、Py、Pz分别为滚筒受到的x、y、z方向的载荷。

摇臂壳体力学模型为：

式中：L1为上、下铰接耳到滚筒中心的水平距离；L2为上、下铰接耳之间的距离；L3为上、下铰接耳连线的中心到下铰接耳的距离；L4为摇臂重心到滚筒重心的距离；L5为摇臂重心到外端下铰接耳的距离；L6为2个下铰接耳之间的距离；L7为内端下铰接耳到滚筒重心的距离；φ为摇臂倾角；G为摇臂重力；M_p 为由行星轮与内齿圈之间的啮合力引起的作用在摇臂壳体外部的扭矩。

文献[9]指出，电机壳体与变速箱壳体中部连接处的截面A为唯一的应力集中区域。然而，工程实践表明，在变速箱壳体中部与行星齿轮系统壳体连接处的截面B也存在多个断裂区域^[10]。因此，截面A和B均为应力集中区域，有必要对其进行详细的应力分析。

截面A和B受到的x方向的轴向力为：

截面A和B受到的y方向的轴向力矩分别为：

式中：L_A 为滚筒中心到截面B的x方向的距离，L_B 为截面A到截面B的距离。

截面A和B受到的z方向的轴向力矩分别为：

式中：L₀为滚筒内径。

截面A和B受到的扭矩为：

通过以上力学分析可知，作用在摇臂壳体外部的扭矩Mp使截面A和B的上部产生拉应力，并在行星齿轮系统壳体的根部产生剪应力。截面A的应力集中现象主要源于采煤机壳体的长臂设计。在切割岩层和夹杂物时，变速箱壳体受到强烈冲击。由于截面B距冲击位置较近，截面A处的冲击振动强度明显高于截面B。

采煤机摇臂不仅承受在采煤机截割过程中煤岩对采煤机的外部载荷，还承受在内部齿轮传动过程中齿轮轴作用其上的内部载荷，这2种载荷均影响着摇臂壳体的变形。

1）外部载荷。采煤机在截割煤岩时受到的外部载荷即滚筒受到的煤壁反作用力^[11]，可分解为3个方向，如图2所示。x方向受力为采煤机行走阻力和截割煤岩时煤壁对滚筒在行走方向的作用分力，y方向受力为采煤机摇臂重力和截割煤岩时煤壁对滚筒在垂直方向的作用分力，z方向受力为截割煤岩时煤壁对滚筒z方向的作用分力。采煤机滚筒受到的三向外载荷均作用在摇臂上，直接影响着摇臂壳体的变形。

2）内部载荷。采煤机的动力由电动机提供。电动机通过多级齿轮将动力传递至太阳轮，并作为行星齿轮系统的输入，行星架输出动力而带动滚筒旋转，以完成采煤作业。壳体所承受的内部载荷来自多级齿轮啮合力，其通过齿轮轴传递至壳体^[12]。以前3级齿轮为例：一级齿轮承受向下的圆周力F1，二级齿轮承受向上的圆周力F2A，三级齿轮逆时针旋转时施加于二级齿轮向上的圆周力F2B，同时在二级齿轴处产生径向合力F2，如图3所示。

现分析二级传动时壳体的受载情况。二级齿轮受到剪切力作用，通过受力分析可得：

采用EDEM和ADAMS软件进行摇臂壳体变形联合仿真。EDEM软件主要用于分析煤岩颗粒的运动行为、滚筒的截割过程及滚筒与煤岩的相互作用力，ADAMS软件用于分析采煤机的机械运动和结构力学特性。

采煤机角度对摇臂壳体的受力和应变有显著影响。当采煤机角度为38.9°仰角时，摇臂上端主要承受向上或倾斜的切削反作用力和岩石破碎力，导致壳体承受较大的拉伸和剪切应力，产生明显的弯矩和应力集中现象，从而引发较大的壳体变形；当采煤机角度为-17.2°俯角时，摇臂主要承受自身重力和较小的切削反作用力，受力方向为向下或向内，使壳体处于压缩状态，变形较小。仰角较大时支撑点受力较大，导致应力集中，因此分析采煤机角度为38.9°仰角时摇臂壳体的变形规律。

以MG500/1130-WD型采煤机的左摇臂为研究对象。该型采煤机截割电机的功率为500 kW，滚筒转速为31.4 r/min，滚筒直径为1.8 m，摇臂传动系统的总传动比为51.5∶1。摇臂传动系统的结构如图4所示。

摇臂传动系统齿轮的尺寸参数见表1。

根据表1所示的尺寸参数，采用SolidWorks建模软件建立传动系统模型，并将摇臂壳体模型另存为.x_t格式文件。随后，采用HyperMesh软件对摇臂壳体模型进行精细的四面体网格划分，划分完成后对网格质量进行严格审核。为了实现壳体与其他组件的连接，在孔腔内部创建Nodes点，采用响应坐标将Nodes点精确移动至圆柱面中心，并将Nodes点与壳体模型的网格相互连接，形成刚性区域，最终生成摇臂壳体模型，如图5所示。

在滚筒高位调姿及铝质岩夹矸工况下，壳体模型网格无关性验证结果如图6所示。由图可知：在该工况下，当网格数量为27.758 3×10⁴个时，轴7处壳体的最大变形量为4.32 mm；随着网格数量进一步增加，壳体变形趋于平稳，仿真计算结果已收敛。因此，壳体模型采用27.758 3×10⁴个网格。通过HyperMesh与ADAMS软件的双向接口，生成可识别为模态中性文件的壳体模型。

在EDEM软件中导入摇臂模型、赋予材料参数、建立煤岩颗粒模型、定义颗粒间的相互作用力及设定黏结参数和截割过程参数，这是仿真的关键流程。具体操作步骤如下。

1）定义煤岩尺寸。设定煤壁长度为3 000 mm，宽度为1 200 mm。模型上下两层为煤层，高度为1 000 mm；中间层为夹矸层，高度为600 mm。

2）赋予材料参数。采煤机滚筒采用刚性材料，其泊松比为0.3，剪切模量为7×10⁴ MPa、密度为7 800 kg/m³。煤岩颗粒材料的属性根据黏聚力变化进行调整。夹矸煤岩材料的参数如表2所示。

3）建立煤岩颗粒模型。创建煤岩颗粒的几何形状并设置材料属性。颗粒设定为单球颗粒，半径统一设置为12 mm^[13]。此外，为了进行后续煤岩体的黏结，将接触半径设定为14 mm。在EDEM软件的“Factory”选项下建立颗粒工厂以生成煤岩颗粒。采用“Static”静态填充，在空间内生成大量颗粒，以模拟煤岩体的固有颗粒特性。在选定的所需生成的颗粒空间内操作，选择相应类型的颗粒。为加快填充速度，给予这些颗粒一个竖直向下的运动速度。颗粒下落可能会在煤壁空间的顶部造成空隙，此时应继续添加煤岩颗粒，直到无法添加为止。

4）定义煤岩颗粒间的相互作用力。根据接触力模型，定义颗粒间的相互作用力。依据研究需求，选择适合的接触力模型和参数^[14]。材料间的相互作用参数如表3所示。

5）设定黏结参数。煤岩颗粒间的相互作用采用Hertz-MindlinwithBonding模型，以模拟煤岩体的黏结特性^[15]。具体的黏结参数如表4所示。

6）设定截割过程参数。在滚筒截割煤岩的动态模拟中，需考虑滚筒的2种运动模式：沿x轴的直线运动和绕z轴的顺时针旋转运动。为了贴近实际工况，采用滚筒逆齿截割，设置滚筒的牵引速度为0.067 m/s，转速为31.4 r/min，截割时间为20 s。

在ADAMS软件中建立机械系统模型，具体操作步骤如下。

1）装配采煤机组件及设置运动约束条件。在ADAMS软件中，首先完成采煤机关键部件的建模与装配，包括摇臂、滚筒及齿轮等机械系统。为了保证仿真精度，滚筒直线运动和旋转运动的轨迹需与EDEM软件中的保持一致。具体而言，在ADAMS软件中定义滚筒直线运动和旋转运动的路径，确保与EDEM软件中的动力学行为相协调。此步骤尤为关键，须确保滚筒截割过程与颗粒破碎行为的仿真具有一致性和准确性。

2）导入网格文件及设置材料属性。将带有网格划分的中性文件导入ADAMS软件，完成网格化模型的引入，再为每个组件设置准确的材料属性。针对采煤机摇臂壳体部分，选用铸钢ZG20SiMn为材料，定义其为各向同性弹性材料，弹性模量为2.08×10⁵ MPa，密度为7 860 kg/m³，泊松比为0.29，屈服强度为294~327 MPa，抗拉强度为510~516 MPa；齿轮选用18Cr2Ni4WA材料，其弹性模量为2.02×10⁵ MPa，密度为7 850 kg/m³，泊松比为0.27，剪切模量为7.95×10⁴ MPa。材料参数的精确设置有助于在耦合仿真中精确捕捉部件的应力与变形行为。

3）设置驱动仿真。为了避免在仿真过程中突然加载导致齿轮间啮合力突变，在驱动电机处引入STEP函数，以平滑控制电机的角速度从0逐步增加至额定速度。截割电机的额定转速为1 450 r/min，即8 700 (°)/s。通过STEP函数，电机的角速度逐渐增大，避免了瞬时激励引发的机械冲击，确保齿轮啮合力平稳过渡。

4）完善刚柔耦合模型与动力学仿真。完成采煤机关键部件模型构建后，施加必要的运动约束条件，以进一步完善动力学模型。根据实际工况，对摇臂、滚筒及齿轮系统施加运动学与力学约束，确保在刚柔耦合仿真中各部件之间的相互作用力得以准确模拟。根据摇臂传动系统的接触状况，建立了壳体与传动系统、行星齿轮传动系统和直齿齿轮传动系统的约束关系拓扑图，如图7所示，以全面理解它们之间的相互作用关系，使各个部件的连接与相互关系可视化。

构件之间的约束条件如表5所示。

5）基于EDEM-ADAMS的耦合仿真与分析。基于EDEM-ADAMS的耦合仿真通过EALink模块实现^[16]。在EDEM软件中启用ADAMS耦合模块，并设置通信接口以保证数据的实时传输。为了保证仿真同步，EDEM仿真中采用较小的时间步长以捕捉颗粒的细节动态，ADAMS仿真中则采用较大的步长来处理机械运动。EDEM软件实时输出颗粒的动力学数据，ADAMS软件则根据这些动力学数据反馈机械部件的运动响应。通过力反馈机制，确保2个软件运行时力与运动的同步更新。滚筒截割夹矸煤岩的仿真过程如图8所示。仿真完成后，提取各自的力学数据与运动学数据，深入分析摇臂壳体变形及其对采煤机动力学行为的影响。

利用Origin软件对数据进行处理，得到铝质岩、灰色岩、石灰岩和粉砾岩夹矸工况下滚筒所受的三向截割载荷及力矩，如图9所示。由图可知：截割载荷呈剧烈波动，表现为随机、非周期性变化趋势；各向截割载荷的数量级基本相同，但数值不断变化，表明滚筒在不同时刻承受明显波动的力；随着夹矸煤岩坚固系数的增大，截割载荷逐步增大，表明两者具有正相关关系；在0—5 s间，随着参与截割截齿数的增加，载荷逐步增大；在5—20 s间，截齿运行趋于稳定，滚筒三向载荷在一定范围内波动；在该4种工况下，x和y方向的截割载荷先增大后趋于稳定，z方向的截割载荷则一直波动，在5—20 s间，力矩均值分别为39 071.19、64 632.77、72 379.45和79660.27N⋅m。

针对各工况下的滚筒三向载荷，引入波动系数ξ：

式中：Fi (i=1, 2, …, n)为第i个载荷值。

不同工况下滚筒所受三向截割载荷的均值和波动系数的对比如图10所示。由图可知：滚筒x方向的牵引阻力和y方向的截割阻力均大于z方向的侧向受力。随着夹矸煤岩坚固系数的增大，截割载荷均值呈逐步增大的趋势，同时波动系数随之变化，反映了载荷的不稳定性。此外，滚筒的牵引阻力略小于截割阻力，与截割载荷的非线性和强耦合性相符。

在分析采煤机摇臂壳体变形规律前，需以齿轮轴中心为基准点，对摇臂壳体进行垂直切面及选点处理，来获取x、y、z方向的应变数据。通过对各方向数据的处理，得到各测点的合应变，从而分析壳体的整体变形规律。通过该方法能有效反映摇臂壳体的变形特性，为进一步分析提供准确依据。

在滚筒高位调姿作业工况下，摇臂壳体变形三维图如图11所示。

由图11可知：摇臂壳体的最大变形处于轴7附近，其中铝质岩、灰色岩、石灰岩和粉砾岩夹矸工况下的最大变形量分别为4.32、7.92、9.92、13.48 mm；随着夹矸煤岩坚固系数的增大，壳体变形幅值持续增大；靠近约束边界的轴1附近的变形较小，从轴1到轴7处变形曲面的线条变得密集，呈现端部变形较大、根部变形较小的特征。

在0—1 s仿真初期，壳体呈现包括自由振动和伴随振动的瞬态振动，随着时间推移，壳体振动逐渐衰减并最终消失，壳体的变形只在局部范围内波动。随着夹矸煤岩坚固系数的增大，滚筒截割载荷逐渐增大，导致壳体变形幅值不断增大，壳体与滚筒行星减速器结合处的变形最为显著，存在较高的失稳风险。从轴1到轴7处的变形曲面呈现起伏式变化，反映出摇臂壳体的约束方式类似于悬臂梁结构，但不同于传统悬臂梁的是，壳体变形方向并不垂直于煤壁侧面，这是因为壳体在承受弯矩的同时还承受扭矩，形成弯扭组合的受力模式。此外，壳体的变形较为复杂，大变形集中在载荷作用处附近，但并非距载荷越远而变形越小，而是呈起伏式波动。

为了更直观地分析摇臂壳体的最大变形位置，以铝质岩夹矸煤岩为例，结合壳体变形云图进行研究。截割18.2 s时摇臂壳体变形云图如图12所示。由图可知，最大变形位于轴7附近，且壳体与滚筒行星减速器结合处的变形较大，该处存在较高的失稳风险。

1）测试平台构成。测试平台基于MG500/1130-WD滚筒采煤机进行搭建，如图13所示。平台的主要设备包括模拟煤壁、采煤机、液压支架等；核心设备是采煤机滚筒载荷感知测试系统，它属于综合机械化采煤成套设备中测试力学性能的关键装置。该平台能够模拟地下采煤环境，并对采煤机摇臂的实时数据进行采集与监控。

2）模拟煤岩制备及性质分析。采用尺寸为 50m×4m×3m的煤壁模型。其基材为高强度煤，将煤破碎后按照0∼50mm的颗粒度进行混合，再加入复合水泥及添加剂。煤岩通过分层浇筑而构建，层厚为30mm，并依据施工温度进行逐层冷却处理，确保其物理特性与实际煤岩接近。将细颗粒和粗颗粒的粉砂岩作为夹矸层的主要成分，来模拟夹矸煤岩，其中各材料的质量浓度如表6所示。模拟煤岩的硬度与真实煤层接近，以确保实验过程中截割的稳定性^[17-18]。

3）应变传感器布置与测点选择。摇臂轴承座孔附近易产生应力集中，尤其在行星头结构的复杂区域，因此重点在这些位置设置测点。在煤壁侧，在轴2至轴5组件轴承座孔的上、下方设置测点，此外，在轴5与轴6组件之间也设置测点；在采空侧，在轴3、轴4组件处设置多个测点。初步设置的测点共计22个，应变传感器的初选位置如图14所示。测点涵盖了摇臂应力集中区域，以确保数据采集的完整性。

4）测点设置优化。为了剔除冗余位置，利用有效独立-驱动点残差法^[19]，采用MATLAB软件对初选测点进行优化，最终减少并优化为更具代表性的测点。优化后，在煤壁侧和采空侧设置的关键测点如表7所示，其具体位置如图15所示，从而确保应力的有效监测，增强数据的代表性。

5）数据采集与处理。数据采集系统由应变传感器和无线节点组成，应变传感器通过焊接直接固定在摇臂壳体表面。实验数据以200Hz的频率采集，并经无线节点通过2.4G网络传输至网关，最终汇总至计算机进行分析^[20]。系统通过DataTranslate和DataExplr软件并结合实验环境，高效采集和处理实时数据，以确保数据的完整性和准确性。无线通信和存储的双重功能提高了数据的安全性，防止其意外丢失。传感器采集的数据如表8所示。

在实验测试阶段，设置滚筒转速为31.4r/min，空载阶段的牵引速度为2m/min。此时，重点检测各传感器的工作状态，确保其在无负载条件下的稳定性和准确性。在空载阶段将牵引速度调至4m/min，并开始进行截割作业，直到截割至煤壁最左侧。整个测试过程持续800 s，其中空载运行时间为160 s，截割煤壁的时间为640 s。

测点x方向的应变曲线如图16所示。由图可知,在0—160 s空载运行期间，各测点的应变量基本保持不变，应变曲线基本为直线，此时，摇臂仅受到重力及内部传动系统的影响。由于传感器安装后进行了归零校准，滚筒和传动零部件引起的微小形变被有效忽略，其对整体应变量无显著影响。实验进行160 s后，采煤机进入截割阶段，滚筒接触煤壁。随着采煤机前进，应变曲线发生波动。在滚筒截割过程中，摇臂结构可视为铰链耳端固定、行星减速器一端在z方向承受载荷作用，形成典型的悬臂梁模型。在煤壁侧，摇臂的行星减速器端受到拉伸力，而采空侧由于受力作用表现出压缩形变。拉压状态的不稳定导致测点的应变曲线呈现正负交替的波动。随着采煤机进入截割稳定阶段，测点数据在一定范围内较稳定。

测点y方向的应变曲线如图17所示。

根据式(15)处理各测点x和y方向的数据，结果如图18所示。

式中：ε_ix 、ε_iy 分别为测点x、y方向的应变量，εi为测点合应变量。

对比图16和图17可知：在空载阶段，各曲线无明显变化，均为较平稳的直线；当采煤机开始截割后，应变量迅速增加，并伴随着剧烈波动。通过分析各测点的应变量发现，距滚筒的行星减速器越近，摇臂壳体的变形越大。测点8、9、10的应变量波动较大，尤其是位于行星头上方的测点8，因受截割阻力的影响，该处的壳体变形明显超过测点10处。

对比图11和图18可知，仿真中粉砾岩夹矸工况下壳体轴7处的最大变形量为13.48 mm，而实验中位于壳体轴7附近的测点8的最大变形量为9.75 mm。这一差异可能由多个因素造成，包括：仿真模型中设置的材料参数与实际材料参数并不完全一致；仿真中设置的边界条件与实际情况存在偏差；实验中动态加载效应可能导致瞬时变形存在偏差；另外，仿真模型的简化处理及传感器的测量误差也都可能影响结果的准确性。这些因素的综合作用使得仿真与实验值之间出现一定差距。

1）本文搭建了采煤机摇臂壳体力学模型，研究了壳体的应力集中区域；分析了采煤机截割过程中煤岩对摇臂壳体的外部载荷，以及齿轮传动过程中齿轮轴对壳体的内部载荷，它们是影响摇臂壳体变形的主要因素。

2）基于EDEM-ADAMS仿真，建立了仰角为38.9°时采煤机截割含铝质岩、灰色岩、石灰岩和粉砾岩等4种夹矸煤岩的模型。仿真结果表明：滚筒牵引阻力的均值小于截割阻力均值，且两者均大于侧向受力均值。齿轮轴处的壳体变形规律显示，壳体在承受外载荷后，变形较为复杂，摇臂壳体与滚筒行星减速器结合处的变形较大，存在较高失稳风险；齿轮轴位置的变形呈现多波峰、非线性、近似正态分布的变化规律。

3）搭建了摇臂壳体变形测试平台，测试采煤机从空载到截煤阶段的壳体变形。实验结果表明：距滚筒行星减速器较近的测点8、9、10的应变量波动较大，尤其是位于行星头上方的测点8，因受截割阻力的影响，该处壳体变形明显超过测点10处。实验结果与仿真结果一致，验证了仿真的正确性。

4）通过深入分析采煤机摇臂壳体在不同工况下的应力分布、变形规律及失稳风险，可识别壳体薄弱区域并揭示变形机制，为摇臂壳体的优化设计提供参考。