毕业设计（论文）-整体铸造型截割臂的结构设计

整体铸造型截割臂的结构设计Thestructuredesignoftheintegralcastingtypecuttingboom摘要近年来，人类对能源的消耗发生着很大的改变，随之而来的是国家关于能源计划的更新。煤炭资源的利用也在不变的变化，如何更高效率地开采煤炭资源推动能源的综合利用也成为了现在应该重点思考的问题。为了适应我国煤矿开采现状，提高我国采煤事业的工作效率及工作质量，增加井下工作安全指数，减少井下危险事故的发生，要保证的是采掘机械的性能。倘若采掘机械性能得到保证，这些问题就会得到解决。煤矿开采的环境复杂,掘进机的工作环境适应性需要相当好,才能够保证煤炭的开采更加顺利地进行。掘进机的截割能力很大一部分是决定于其所需要的截割机构,在实际的使用中因为其截割所带来的振动,往往对掘进机的运行速度和工作效率造成很大的影响,因此，其结构设计及载荷能力就显得尤为重要，对提高改进掘进机工作性能具有重大意义。所以，通过设计性能优良的叉形架，提高掘进机的性能，进而提高采煤事业的工作效率及质量。本文主要设计铸造型截割臂，即铸造型叉形架。根据基础数据和网上查询资料，最终设计完成铸造型叉形架，并建立铸造型叉形架的三维模型，并在此基础上对其进行模型简化，计算掘进机在截割煤层时截割臂所受到的载荷并利用Solidworks对其进行有限元分析，根据应力云图、应变云图、位移云图发现设计截割臂的薄弱环节并进行优化。关键词：掘进机；叉形架；铸造；结构改进；有限元分析ABSTRACTInrecentyears,theconsumptionofenergybymankindhasundergonegreatchanges,followedbytherenewalofthenationalenergyplan.Theutilizationofcoalresourcesisalsoconstantlychanging.Howtominecoalresourcesmoreefficientlytopromotethecomprehensiveutilizationofenergyhasalsobecomeakeyissuethatshouldbeconsiderednow.Inordertoadapttothecurrentsituationofcoalmininginmycountry,improvetheworkefficiencyandqualityofmycountry'scoalminingindustry,increasetheundergroundworksafetyindex,andreducetheoccurrenceofundergrounddangerousaccidents,itisnecessarytoensuretheperformanceofminingmachinery.Iftheperformanceoftheminingmachineryisguaranteed,theseproblemswillberesolved.Theenvironmentofcoalminingiscomplex,andtheadaptabilityoftheworkingenvironmentoftheroadheaderneedstobequitegoodtoensurethattheminingofcoaliscarriedoutmoresmoothly.Alargepartofthecuttingabilityoftheroadheaderisdeterminedbythecuttingmechanismitneeds.Inactualuse,thevibrationcausedbyitscuttingoftenhasagreatiMPactontherunningspeedandworkefficiencyoftheroadheader.Therefore,itsstructuraldesignandloadcapacityareparticularlyimportant,whichisofgreatsignificanceforimprovingtheworkingperformanceoftheroadheader.Therefore,bydesigningafork-shapedframewithexcellentperformance,theperformanceoftheroadheaderisimproved,andtheworkefficiencyandqualityofthecoalminingbusinessareimproved.Thispapermainlydesignsthecastingcuttingarm,thatis,thecastingforkframe.Accordingtothebasicdataandonlinequerydata,thefinaldesignofthecastingforkframeiscompleted,andthethree-dimensionalmodelofthecastingforkframeisestablished.Onthisbasis,themodelissimplified,theloadofthecuttingarmofthetunnelingmachinewhencuttingthecoalseamiscalculatedandthefiniteelementanalysisiscarriedoutbyusingSolidWorks.Accordingtothestressnephogram,strainnephogramanddisplacementnephogram,theweaklinksofthedesignedcuttingarmwerefoundandoptimized.Keywords:Roadheader;Forkframe;Casting；Theimprovedstructure；Finiteelementanalysis目录1绪论 绪论1.1引言1.1.1研究背景近年来，人类对能源的消耗发生着很大的改变，随之而来的是国家关于能源计划的更新。煤炭资源的利用也在不变的变化，如何更高效率地开采煤炭资源推动能源的综合利用也成为了现在应该重点思考的问题。因此，开发自动化的采掘机械技术以及创新现代技术是十分必要的。研究满足现状的掘进机械将对未来能源的综合利用起到非常重要地推动作用。掘进机的截割能力很大一部分是决定于其所需要的截割机构，在实际的使用中因为其截割所带来的机械强度和震荡，往往对掘进机的运行速度和工作效率造成很大的影响，对其运行的稳定性也会有更高的技术要求，因此，如何优化截割机构设计成为时下掘进机设计的一大难题。掘进设备具有切割、装卸、转运、喷雾等功能,它可以自行在规定路线中行走,利用各种机械手段实现对煤岩的破坏。根据开挖出来的断面轮廓分,有全断面掘进机和部分断面掘进机。全断面掘进机工作时，煤岩在带有滚刀的刀盘挤压作用下被分成碎块，后由刀盘铲刀将其铲到渣槽，由转载机将其运出。供热无需在工作面前大眼和进行临时支护，这大大增加了操作人员工作室的安全性，减少了劳动风险。巷道掘进机的主要工作原理包括拦截机、装载器、回转台、液压系统、除尘系统和作业控制，机器的维护。(1)截割机构:切割机构主要由切割头、切割臂、减速器、电动机组成。当切割机构处于工作状态时。切割发动机驱动减速器运行。其次，切割机构根据减速器的驱动作用旋转。这时，切割头上的装置随着切割机的旋转而移动。同时，截割头的旋转产生一定的旋转矩和力，作用在煤壁上，顺利实现煤块的破坏。采掘机的行驶机构向切割头提供纵向推进力。切断机构和回转台以铰链方式相连接,通过升降油压汽缸和回转油压汽缸，实现了采掘机整体切断机构的升降运动和横摆运动然后切断形状不稳定的煤层断面，直到挖掘出工作要求的煤层断面为止。当面对不同硬度的截面岩石时，首先需要优先选择硬度低的岩面切割。在进行层状岩层切割作业时，我们要沿着它的层理大方向切割，从而减少切割时的切割费能量消耗。悬臂式采掘机根据煤块的破碎方式分为纵轴式和横轴式两种。其中第一型式的切断头轴线和悬臂梁的轴线重叠。切断头有很多锥形,为了提高切断能力也有设计成球柱形的。工作时，首先先将其钻入煤壁，挖出槽，然后以一定的模式移动手悬臂。悬臂式采掘机的切断机构分为可伸缩或不伸缩两种切断机构(固定式)。(一)固定式切断机构的特征:结构简单，尺寸小，重量轻，但是在切槽时，在外力的推进作用下(即行机构提供的推力)可以将切断头掉落到石炭上，打入石壁。但是为了工作过程中，机器要经常移动,所以很容易破坏底板。另外，煤块的挖掘阻力大的情况下，带是非常容易滑移的，这也导致了带磨损变大的问题。(二)伸缩切断机构:在这样的结构中，当悬臂梁伸缩时产生推力，切断头由于该推力的作用而潜入煤壁，不需要移动移动移动机构，可以提供一定且大的潜入力。伸缩切断机构又分为内伸缩和外伸缩。其中外伸缩臂的机构特点:大、重、推进电阻较大，但是机械稳定性不佳。内部的伸缩式电缆机构属于电动机伸缩式，这样的伸缩式电缆机构的结构简洁可靠，但是由于伸缩式电缆和供水管配置困难，这就会导致切断电动机损坏，难以进行更换。(2)装载机构:装载机构位于机器的前半部分以下，材料通过切断机构分离后会掉落在地上。其次要统一载入运输机构。这项工作主要由承载机构完成。装载机构的构成:铲板、收集装置(左右对称)。根据收集装置的结构，可将其分为分为三种：刮板式装载机构、扒爪式装载机构

、星轮装载机构。(1)刮板装载机构。这不仅能形成封闭的运动链，承载面的宽度较大，但结构复杂，效率低，承载效果也比较差，现在已经淘汰了。(2)扒爪式装载机构。其动力是油压马达或者是马达供给，马达带动减速器进行运转[[]SurajDeshmukh,A.K.Raina,V.M.S.R.Murthy,R.Trivedi,R.Vajre.Roadheard-Acomprehensivereview.TunnellingandUndergroundSpaceTechnologyincorporatingTrenchlessTechnologyResearch.2020]。然后通过减速器带动左右把手来实现对材料的搜索。正确地设计其运动轨迹，可以把材料运送到指定地方。其生产效率高，但是结构复杂，动负荷大，故障发生概率高，因此产品的使用量也逐渐降低。(三)行星轮承载装卸机构。一般而言，低速和大扭矩油压马达可以直接带动多爪子星轮，达到收集材料的主要目的。这种形式的机构过载能力低，但是故障发生概率低，结构简单，运行稳定等优点，所以在采掘机上还是很普及和应用的。[]SurajDeshmukh,A.K.Raina,V.M.S.R.Murthy,R.Trivedi,R.Vajre.Roadheard-Acomprehensivereview.TunnellingandUndergroundSpaceTechnologyincorporatingTrenchlessTechnologyResearch.2020(3)运输机构:运输机构主要由移动式的机械前部、移动式的控制器、刮板链、张力装置、脱链和方向变换轮等部分组成。(4)机架和转台:机架作为整个机器的骨架，能承受的负载也比较复杂。例如：截割、行驶、装载对机架的作用力作用力。由于掘进机在矿井内作业，为了方便作业，设计时一般将其设计为分离式结构。

在机器的每个零部件之间都可以使用螺栓连接或者销轴来连接。回转台:控制机器的截割机构的左右运动。回转平台通过大型旋转轴承支撑与高强度螺栓的支撑和连接固定在支架上。工作时，连接旋转台的油压气缸进行伸缩，实现了切断机构横向的摆动运动。连接在回转台和叉形架之间的升降机油缸伸缩为截割机构提供了推力，实现掘进机截割机构的升降运动。(5)行驶机构:根据掘进机行驶方式的不同，行驶机构可分为三种，分别是履带式、步式和组合式。在现在的采掘机中，带履式被广泛地使用。掘进机的位置移动和牵引电机的作用就是通过行驶的机构来实现，固定式机型所需的推动力也是由行驶机构提供的。在掘进的工作中，机器重量和切断反力也会经过这一机构将其转移到地板上。在掘进机工作时所需要的调动速度是根据现实的工作条件及要求所设定的，所以行走机构也应具有多种不同的行走速度。(6)液压系统:现代悬臂式掘进机通常是马达直接驱动截割头，其余的动作都在油压马达的驱动下完成，所以电力越大，油压系统的能力也会越强。

机器的动力是由液压系统提供的。另外，各液压汽缸和马达的驱动和控制也通过液压系统实现。(7)电气系统:采掘机械的动力由电气系统提供，该系统可以驱动和控制机器中的所有电动机、电气控制装置、照明装置等，还可以实现对机器的电保护。(8)除尘系统:除尘系统配置:内外喷雾器。除尘系统通过向工作面喷雾，在喷雾降落到工作面的过程中携带掘进过程中产生的煤尘一同降落，从而实现除尘功能。1.1.2课题的目的及意义要提高我国采煤事业的工作效率及工作质量，增加井下工作安全指数，减少井下危险事故的发生，首先要保证的是采掘机械的性能，倘若采掘机械性能得到保证，井下采掘工作的安全指数会有大幅度的提升。改善掘进机的使用性能对于不断发展现代我国盾构大口径全自动断面推力掘进机作为新兴产业和进一步增强我国盾构机的科学技术研发创新能力和不断改善其科学研发生产环境等都具有十分重大的社会战略意义。叉架作为采掘机的重要组成部分，连接了截割头、回转台和升降液压缸。与液压油缸相连控制截割头升降运动，与回转台相连，控制截割头的横摆运动在掘进工作。在掘进过程中，叉形架的机械性能发生关键问题，如果进一步失效，将会影响机器的正常工作，严重影响办事效率。所以对叉形架的结构设计是十分重要的，要以优良的设计来提高掘进机工作的可靠性。1.2国内外研究现状1.2.1掘进机在国外的发展现状20世纪30年代,德国等开始开发煤矿采掘机。后来，这个采掘机在第二次世界大战后被工业广泛使用。1949年世界上第一个掘进机诞生了,它是由匈牙利制造的。然而，采掘机的主要功能在当时尚未实现。1951年匈牙利制造生产出了采用履带式行走机构的掘进机。该类移动机型除了采用横轴切断方式和移动速度快的履带移动机构外，还可以选择铲子和行星轮为移动机构，通过副板传送带运送材料。现代悬臂式掘进机的精度准形在这一类掘进机中基本体现，成为现代悬臂式纵轴式掘进机的原创模型。1960年英国从前从苏联引进了IIK-3型挖掘机，并对其进行了一次工业化的试验，同时开始了悬臂式掘进机的研发。1963年DOSCO公司在II-K3的基础上，改变了掘进机节前程序，更换了电气系统[[]EBZ200掘进机截割部结构设计,悬臂式掘进机截割机构设计.太原理工大学.2014.][]EBZ200掘进机截割部结构设计,悬臂式掘进机截割机构设计.太原理工大学.2014.后来德国一家公司又以此为基础，研发出了ET系列掘进机。自此，掘进机的发展模式形成了一定的系列化。1971年奥地利APINE公司根据无障碍系列掘进机的特点，以其为基础研究了AM-550型掘进机。并且以在此基础上逐渐形成了AM-50系列采掘机。1972年德国引进了AM-50型采掘机，并在半石岩中使用同时对起进行研究，并在这个基础上研发出了新式的掘进机。经过这半个多世纪的发展,掘进机在世界上很多国家的到了广泛的应用并且向半煤岩巷道掘进推进，掘进机的设计研究制造水平有了很大的提升。此时，重型掘进机切面可以达到35-42米。很多机型能够在纵16°、横8°的坡上稳定工作，截割功率132-300kW，全机重量50-100t，掘进机的牵引速度能够通过煤岩的倾斜程度来进行反馈调节，一些机型的掘进机切割速度可以降到lm/s以下，这样的速度调节模式，在很大程度上保证了工作的安全性、可靠性。有些没有后支撑的的机型，会采用在履带前后设置爪式液压掘进机构，以达到工作时固定位置的目的。矿用机械朝着机电一体化的方向逐步前进，在矿用机械中加入实时监控机器工作状态、截割方向与断面，电机自动控制等功能，研究并应用机械的故障诊断功能，在机器发生故障时，系统会进行自检，找出故障原因，大大节约了设备的维修时间。部分掘进机能够实现PLC控制和电路循环检测。20世纪90年代起，国际上许多国家开始致力于研究煤矿智能化开采技术，美国、德国等在时下的工业自动化基础上，结合远程可视化监控技术先后提出了自己的技术方案，实现对煤机支架等装备的控制[[]黄曾华.综采装备单机智能化向智能协同转型的探索研究[J].煤炭科学术.2021.49.(4)]。2000年之后，随着计算机与网络技术的飞速发展，澳大利亚启动了“landmark”研究计划，致力于煤矿综采自动化技术的研究，同时对煤矿自动化装备及其技术进行更加深入的研究，追求更加先进、安全、高效的自动化技术和模式。德国艾科夫公司着力于智能化煤矿机械的研发，聚焦于提供具有防碰撞、智能控制、截割模板等高级功能的智能煤机装备，以及相关的行业方案[[]宋选民,朱德福,王仲伦等.我国煤矿综放开采40年：理论与技术装备研究进展[J].煤炭科学技术.2021.49.3][]黄曾华.综采装备单机智能化向智能协同转型的探索研究[J].煤炭科学术.2021.49.(4)[]宋选民,朱德福,王仲伦等.我国煤矿综放开采40年：理论与技术装备研究进展[J].煤炭科学技术.2021.49.31.2.2掘进机在国内的发展现状我国掘进机的形成与发展可以划分为三个阶段。第一个阶段从1960年代早期至70年代后期。此阶段的主要就是海外采掘机的引入。但是,研究水平较低,主要采用矿井内采煤轻型、机械化工程作为研究中心。尽管如此,这一阶段时期的探索和尝试已经给我国掘进机的第二阶段发展打下了很好的基础。该系列产品的主要优势之处在于它们的重量轻，体积小，技术含量低。第二阶段为消化与吸收阶段，从1970年代末至90年代初期。在这一阶段，我们已经从很多发达国家采购并推出了许多的机器。引进的设备主要包括16个品种和188台掘进机，这样一批设备的引入对于中国煤矿开采和掘进的煤岩路道起着非常重要的作用。通过引入国内外协同生产、消化吸收的新手段，中国在生产、加工和制造方面的技术能力得以极大地发展。这一时期，我国大量生产的中小型挖掘机依靠进口工业化的局面已经基本消失。在这段时间里，我国的机器的主要特点是提高了效率，可靠性和适应性，能适应我国煤矿巷道的现实环境。第三个阶段是独立研究和开发的阶段，从90年代初期到现在。这一时期，中型挖掘机在技术上的发展也越来越明朗，大量的中型掘进机问世，中国煤炭事业的发展得到了极大的发展。综放开采技术在我国的应用范围迅速扩大，特别是在煤层厚、储量大、地质构造简单等条件适宜的矿井，其综放工作面的产量获得大幅度提升。掘进机的设计和生产加工技术水平也已经进入了一个更高科技的行列,根据煤矿需求的具体条款，可以直接实现掘进机的个性化设计。这一阶段，中国掘进机的设计水平有所提高，设计人员开始广泛使用各种高科技的建模设计和系统分析软件。机器的功率比以前更大，可靠性也有所提高，功能也越来越完善。在开采和挖掘机械设备的制造上增加了先进的故障自动诊断与显示技术，我国的机械技术以此作为基础逐步迈向国际先进水平。我国机械技术的现代化与发展经历了引进、消化、吸收、再创新等阶段。目前处于再创新阶段，在这一阶段我们已经进行了非常多的创新，实现了许多适应我国国情的创新，正是因为这样的不断创新，才能有我们如今的跨越式发展。20世纪90年代之后，我国力求在煤矿开采技术取得创新突破性成果。由之前的只能开采缓斜厚煤层、软及中硬煤层逐渐转变到特厚煤层及复杂难采的厚煤层的开采，其中难采厚煤层指的是煤岩倾角大、顶板过硬或过软、煤层过硬或过软、底板松软的煤层。掘进机跨越式的发展的影响因素:1.市场:强大的市场，对实物的发展起着至关重要的作用，市场需求的增长，会在很大程度上推动事物本身的发展；2.国家的重视，2006年的时候，盾构机被国务院纳入了中国重大装备制造业。从60年代开始，上海一直在研究掘进机，当时国家不太重视掘进机的研究，随着国家的不断发展，实用机器的需求量越来越多[[]建设机械技术与管理编辑部,我国掘进机械“跨越式”发展的经验与未来,《建设机械技术与管理》.2014.][]建设机械技术与管理编辑部,我国掘进机械“跨越式”发展的经验与未来,《建设机械技术与管理》.2014.1.3本文主要研究内容整体铸造型截割臂的结构设计：叉形架结构的设计及其合理性，与其他零部件连接的关键尺寸与结构可行性。研究其体积及重量是否符合井下运输的要求，设计的结构是否符合安装与连接的要求及所设计零件的结构强度是否满足使用要求。对所设计的结构进行校核，保证设计的合理性与可行性。图1-SEQ图1-\*ARABIC1掘进机结构图

2整体铸造型截割臂结构的初步设计2.1对三维建模软件Solidworks的介绍在此次设计中利用Solidworks软件建立整体铸造型截割臂的初步三维模型。Solidworks软件公司系统是目前世界上第一个基于windows软件平台进行开发的三维的数据中心管理软件系统，利用它能够快速、简明的建立自己想要的模型，并对所建立的模型进行后续受力分析。Solidworks三维模型软件虽然功能强大，组件繁多，但是即便组件繁多也很容易学习，不会让使用者感到觉得使用起来很困难，这就会使其发展成为世界上领先、主流的三维模型。在实际应用的过程中，使用者就可以根据需要来设计不同的解决方案、比较各种解决方案的优缺点，尽可能减少在设计的过程中出错率，保证产品的质量。在其系统中自带一个数量巨大的材质库，在该材质库中，使用者可以直接选择自己所需要的零件材料。使用者仅仅只需要根据其自己所定义或者是一个可以进行修改的物体材料属性(例如:色彩、反射率、透明程度、粗糙程度以及纹理画等)。该软件还具有剖视功能，能够在使用者需要观察一个零件的内部细节时使用。在Solidworks模型系统中还特别预计设有了系统自带的一个模型标准化常用模型零件库，其中主要零件包括模型螺栓、螺母、螺钉、蜗轮、键、销、垫圈、挡圈、密封条、弹簧、法兰等常用的模型零部件，模型的所有数据都同样可被直接对其进行分析调用。在利用Solidworks软件进行体铸造型截割臂的三维模型时应注意：(1)要避免过于复杂的草图，采用简单、分布的方法。最好使用多个相互构建的草图，而不是在一个草图中处理所有参数。这样有助于我们记住实际的制造步骤。(2)合理的设计各部分的建模顺序，以便后续进行修改。2.2整体铸造型截割臂的结构的初步设计本次设计的叉形架采用了铸造加工的方式，将经过铸造的铸钢进行加热融化，使其具有良好的流动性，然后向型腔内注入铸型钢，在重力或其他外力的影响下，铸型钢充满型腔并冷却定型，用各种铸件或者零件进行凝固的加工。这种加工方式的优点主要生产形状复杂的零件，特别是内部复杂的半成品。2.适应性强，可铸造工业金属材料。各种来源的原材料和低成本废料、零件和切屑可用于铸造。4.铸件的形状和尺寸与零件非常接近，可以大大减少切削量。

但是,由于金属液的流动性可能会下降，所以在设计时，我们要合理地将墙壁设计厚一点，尽量避免铸造收缩、收缩孔等瑕疵。在制造各种机械部件时，应当能够满足其强度、刚度、使用寿命、工艺性、重量小等基本要求。高强度是所有机械部件和设备中的必须具有的基础性要求。所以当一台机器正常工作时，零件在承受到较大的载荷后，既不可能会发生任何形式的断裂，也不可能会出现任何大于容许极限的残留和变形。所以我们在设计零件时要合理设计结构，以降低载荷集中和应力集中。减轻机械零件的重量有两点好处，一是节约成本，二是可以减轻整机重量，降低机器负担。叉形架主要由铸造焊接两种，焊接很容易就会导致焊缝和接头的组织及其性能发生改变，操作不正确还可能会在过程中产生多种缺陷，从而导致结构的承载力大大下降，影响产品性能，而铸造件不仅可以避免这些问题而且制造成本较低，这样做符合机械零件设计的经济型原则。因为此次设计的零部件都是铸造材料，所以在选择材料的时候，要考虑到合金材料的流动性及充型能力的影响。液态合金的流动性也是液态合金重要的铸造性能之一，它不仅与合金的主要组成、温度、杂质的含量和其在物理上的特殊性质密切相关。合金的流动性越好，充型能力越强，在模具上浇铸更方便，铸型清晰、虽复杂却薄。同时，有利于防止非金属杂质和不利性气体在铸件内的上浮和排放，有利于对铸件在凝固后期产生的减小缩孔进行补缩，还可以促使铸件在凝固后期发生的热裂纹及时地得到金属液补充而加以弥合。因此，在进行铸件设计、选择合金材料时，要充分考虑到合金材料的流动性。综合考虑上述因素，在此选用ZG35。因为该叉形架采用了铸造的加工方式，所以在设计时就需要尽量地能够使得加工零件的模型结构简单，便于从一个模型中直接取出，避免外部的出现侧凹，铸件在模型起模时的加工方向外部如果有侧凹，将会在很大程度上影响铸件的质量。是因为铸件外部若有侧凹，势必会增加铸件分型表面，也就意味着分型箱的数量会增加，这也就增加了铸件模型错箱的发生概率，使得加工零件的模型尺寸加工误差大大增加；铸件分型表面也要尽量地的保持平直，避免弯曲的压到分型体表面；凸台、加强筋以及线条的结构设置问题均应得到充分考虑，以便加工造型；合理地结构设计加工铸件的型芯内腔，良好的铸件内腔结构设计，不仅可以有效减少型芯的气孔数量，又有利于对型芯内部进行固定、排气及灰尘清理,进而有效地可以防止铸件偏芯、气孔等各种缺陷物的产生，并且也大大降低了加工铸件的生产成本；所以铸件的横向结构上要倾斜，铸件上凡是具有垂直于铸件分型体表面的不锈钢加工塑料零件及其表面，最好都能够具有一个横向结构上的倾斜，这样在拔模时操作起来省力，并且零件精度会更高。对于掘进机，其在复杂地形条件下进行采掘任务，需要具有良好的通过性和适应性，并具有稳定的工作能力。叉形架作为掘进机的重要组成部分，其性能直接影响着整机的工作性能。因此设计一种复杂环境适应性良好，能够适应煤矿井下有瓦斯、煤尘的潮湿环境，承载能力足够满足工作条件的叉形架是十分必要的。截割臂是掘进机的重要组成部分，连接回转台、截割头和升降油缸。可实现掘进部分的升降运动，并承受来自截割头的复杂载荷。由于掘进机的截割减速器是布置在截割臂上的，所以其最理想的结构为矩形，这样截割减速器就会有充足的安装空间。因为叉形架上要连接升降油缸，为使升降油缸的伸缩不受限制，将叉形架两端设计成有空腔的结构。综合这些因素，叉形架的简化几何形状设计为U型。2.2.1掘进机叉形架的传动方式图2-SEQ图2-\*ARABIC1叉形架传动方式示意图以现有的传统叉形架为参考对象，观察研究其中每一部分存在的原因、意义和价值。综合考虑各个方面带来的可能影响因素(如:应力集中,尺寸参数、表面状态、材料等),进行后续的设计。两个油缸必须是联合作用，当两个液压油缸之间具有杆腔和无根杆腔的油压不等时，截割臂、截割头分别位于掘进机正前方，如下图位置1所示；当一个液压油缸中有杆腔的油压低于无杆腔的油压时，截割头就会向上移动，位于掘进机斜上方，如下图位置二所示；当一个液压油缸中有一个杆腔的油压超过了无一个杆腔的油压，截割头向下运动，位于掘进机斜下方。2.2.2掘进机叉形架的基本结构的初步设计（1）模型一（叉形架内部设有三根筋的结构）<1>叉形架左右要分别布置一个液压油缸，以实现截割头的升降运动。因此，在叉形架上要留有足够的空间用于日后装卸液压油缸。因为液压缸在使用过程中可能会出现无法升降的故障，其原因可能是平衡阀故障、油缸內泄或液压系统出现问题，这个时候，维修人员需要将液压油缸拆下来进行检查，所以要保证为装卸液压油缸提供充足的空间。例如，当液压缸中主要用于驱动的各个工作零部件的质量比较大时，由于它所具有的传感器质量比较大，致使当行程结束时，活塞与端盖之间发生碰撞，会对液压产生冲击和噪音，甚至可能会严重地影响系统的工作和导致引起整个系统的故障或者严重损坏，为此，在大型或技术要求比较高的液压缸中，往往需要设置缓冲器。而且掘进机在正常工作状态下会对载荷产生相应的冲击，所以,在选择液压式油缸的时候，通常要考虑选择一个设置带缓冲器的液压式油缸。但是当液压系统很长时间内就停止了工作时，系统内的油液因自重作用或者其他的原因从空气中流出，这时容易导致空气从系统中进入。如果一个液压油缸中含有少量的空气或者从油液中混合到少量的空气，都会导致液压油缸的运动不平稳。因此，一般液压系统在正式开始运行工作前，都要尽可能地使系统中的多余空气被排出。常用的排气装置有两种：一种是打开液压缸最高点的排气孔，将上、下排气门与排气管连接。另外一个方法就是在液压缸最高点安装一个排气堵塞[[]杨峰,谢巍,吴旭.掘进机截割部升降油缸爬行现象分析.液压与气动,2020.]。因此，我们要为液压缸的排气操作留有足够的空间。一般情况下，选用缸径230-180mm、杆径110mm的液压油缸，在此次设计中，我们选用缸径为180mm，杆径为110mm，进油压力为23MPa的液压油缸，为保证液压油缸有足够的安装空间，所以将叉形架左右两个安装液压油缸处定为260mm。如下图所示:[]杨峰,谢巍,吴旭.掘进机截割部升降油缸爬行现象分析.液压与气动,2020.图2-SEQ图2-\*ARABIC2<2>叉形架作为掘进机的重要组成部分，要承受来自截割头的复杂载荷，因此其一定要有良好的承载能力。此叉形架采取的加工方式为铸造，为促进金属流动，避免产生铸造缩松、缩孔等缺陷，要合理设计零件壁厚。铸件壁厚设计的最基本原则是，整个铸件的壁厚应尽可能相似，至少壁厚不应突然变化。其原因是防止铸件在冷却过程中产生过大的热应力，从而避免产生裂纹。其次铸件的壁厚只需要零件的强度足够就行，不是厚一些更好；壁厚这种方法所设计出来的太薄型零件壁厚很有可能会无法获得保证；在我们设计铸件时，我们必须首先要充分考虑厚大截面的机械承载能力，承载能力的增加并非按截面积的比例来增加，壁厚如果设计得太厚会极大地增加零件本身的负担和重量，在之后投入使用的同时会给及机械本身带来很多负担，而且由于铸件心部的冷却速度缓慢，更易使零件产生缺陷，厚壁的铸件较薄更容易出现缩孔。壁如果太厚的话，会使铸件的冷却时长增加，以致铸件留模时间过长，造成零件晶粒粗大，引起铸件开裂。综合考虑上述因素，故将靠近截割头的一端壁厚设计为30mm，连接回转台的一端壁厚设计为60mm。<3>筋的设计很多时候在机械零件的空腔部位会存在强度、稳定性或者变形等问题，这些问题会影响到机械零件本身的性能及使用寿命，进而影响到整个机械设备的性能，面对这些问题，我们通常会采用在机械零件的空腔部位加筋的办法。在制造机械里，筋一般来说是钢板指的就像一个筋板，或者说它就是一个加强了的筋。在实际进行整体结构设计的工作过程中，可能会同时容易出现一些两个结构体的内部悬架突出面太大，或者可能是整体跨度太大的特殊情况。在这种情况下，构件本身的两个连接水平面可以同时承受有限的负荷，然后在两个构件的共同面和垂直水平面上分别加设加强附件和加强连接肋，俗称为横向增强附加肋[[]郭佳佳.掘进机截割部故障分析与优化设计研究.机电工程技术,2019.[8]徐坤,佟金玉.掘进机截割时受力分析.《价值工程》.2011[9]沈小燕.悬臂式掘进机的行走姿态定位研究.西安建筑科技大学,2014.[]郭佳佳.掘进机截割部故障分析与优化设计研究.机电工程技术,2019.[8]徐坤,佟金玉.掘进机截割时受力分析.《价值工程》.2011[9]沈小燕.悬臂式掘进机的行走姿态定位研究.西安建筑科技大学,2014.[10]高利平.掘锚机组掘锚一体化掘进技术及应用.技术与市场,2014.[11]宋金标,李琳,李菊等.浅谈新一代掘进机的功能拓展.煤矿现代化,2013.[12]李朋朋,王义亮,杨兆建.纵轴式悬臂掘进机不同截割俯仰角截割力特性分析.煤炭技术,2017.[13]郭葆菁.纵轴式悬臂掘进机截割部动态特性分析.煤炭与化工,2016[14]尹平,尹汉桥,张高平,刘春祥.不同工作条件下掘进机截割臂的强度分析.煤矿机械,2010.[15]张红顺.掘进机截割臂动态载荷识别.煤矿机械,2011.[16]DeyiZhang,SongyongLiu,JigangJia.InfluenceofMotionParametersonCuttingPerformanceofBoom-TypeRoadheaderDuringtheSwingCutting.ArabianJournalforScienceandEngineering.2021在叉形架的左右两侧有两个空腔，是升降油缸的活动空间。为了保证叉形架有足够的承重性能，我们在叉形架左右两侧的两个空腔中布置三根筋，加强叉形架的强度，增强其力学性能。这三根筋的位置参数分别为：第一根筋位于距离连接回转台的孔中心180mm的位置，第二根筋在距离第一根筋570mm的位置，第三根筋在距离第而根筋340mm的位置。筋的厚度均为25mm。这三根筋的具体尺寸参数及形状如下图所示：图2-SEQ图2-\*ARABIC3<4>法兰盘的设计在进行设计时，要考虑在进行机械安装过程中，避免出现相互干涉的情况，所以在设计装配结构时要将这些因素考虑在内。在进行零部件加工的过程中,要尽量降低其接触面积，保证装配机械的零部件接触面的稳定和可靠；同时为了能够保证该连接件和被连接器之间有良好的接触，会将装配接触面设计为沉孔或者凸台。在此次的设计中，把装配接触面设计成为凸台，以保证机械装配接触面的稳定可靠。要尽可能的减少零件的接触面，在正确设计零件的安装位置时，要尽可能的让使得零件有一个安装的接触面，接触面多，会给后续的装配工作带来很多负担，增加装配难度。叉形架前端用于连接截割头，为保证叉形架与截割头连接处接触面的稳定可靠，我们将此连接处设计成凸台样式，为保证此连接处有足够的强度，我们将此凸台高度设计为60mm。<5>孔的设计在叉形架的左右两上板上，各布置两个矩形孔，其尺寸参数分别如下图所示：图2-SEQ图2-\*ARABIC4为了更好地充分发挥铸钢合金的效果，使之既有可能地避免铸钢铸件的厚大横切截面，又有可能确保铸钢铸件的高强度和机械刚度，同时为了有效地减轻铸钢铸件的重量，便于对排气及铸钢铸件进行清理、操作，往往在铸钢铸件臂上方各开设一个窗口。在叉形架的两内侧面上分别布置一个孔，用于后续穿线或这便于日后维修，该孔的具体参数如下图所示：图2-SEQ图2-\*ARABIC5<6>连接回转台的耳座的设计在机械零件的设计中，有孔壁厚一般大于50mm。掘进机作为大型机械，所受的力数值较大且较为复杂，所以在设计有空的位置时，可以将承重较大且有孔部位设计的稍微厚点。因此在叉形架连接回转台的耳座位置，将四个连接耳座设计成凸台样式，全部向外突出10mm，以保证有足够的能力承受来自回转台的力，保证叉形架有良好的力学性能。<7>螺纹孔的确定叉形架要链接截割头、回转台、液压缸、盖板等部件,所以在叉形架上会布置有很多螺纹孔。在叉形架上连接截割头的法兰盘、安装盖板等地方均采用螺纹连接。螺纹管式连接器部件是一种在机械工业中被广泛研究采用的一种固定式部件连接，它主要具有部件结构简单、连接可靠、安装方便等重要特征。比较适用于上述连接部位。但在日常采用这个螺纹进行连接的操作过程中，还是非常需要充分考虑关系到这个螺纹连接防松的重要问题:因为螺纹上的连接一旦出现发生螺纹松脱，轻者就可能会严重直接影响关系到传动机器的正常运行工作和安全运转，重者甚至可能会给机器人员伤亡造成各种严重事故。因此，为了尽量有效防止自动连接线的松脱，保证其自动连接的可靠安全，必须在每次进行连接设计制造过程中必须采取有效的安全预防自动松绑连接措施。防松的一个基础性设计问题主要是为了有效防止两个螺旋副轮在受力负载运动过程中不会发生相对应的扭矩。防松方法按其工作原理可分为：摩擦防松、机械防松、破坏螺旋副运动关系防松三种防松方法。此处选用机械防松，机械防松又可分为开口销与六角开口螺母防松、止动垫圈防松、串联钢丝防松三种。此处采用开口销与六角开槽螺母防松，拧紧六角开槽螺母后，将开口销插入螺栓端部的小孔和螺母槽中，并将开口销尾部掰开与螺母侧面紧贴，也可用普通螺母代替六角开槽螺母，但应在螺母拧紧后钻销孔。因为掘进机掘进工作时，冲击、振动较大，而开口销和六角开槽螺母的锁紧方法适用于高速机械中受冲击和振动较大的运动部件的连接，所以采用这种方法进行防松。在确定螺纹孔位置时，我们尽可能采取对称分布，以保证载荷分布均匀，避免载荷分布不均造成不必要的零件损坏。叉形架的头部的法兰盘上（连接截割头的部位），在法兰盘上Ф600mm的位置每隔12°均匀布置一个螺纹孔，一共布置30个，其中螺纹孔的参数为M24、深24、孔深50；2.在法兰盘上距法兰盘中心左右各310mm的位置分别布置两个喷雾孔。3.在叉形架的底部和头部位置各布置有一个穿线孔，这两个孔的尺寸分别为Ф80，Ф85。4.在叉形架的左右两上板上，靠近内侧的位置，布置一排螺纹孔，用于后续安装固定盖板。其螺纹孔尺寸参数为：M16、深27、孔深31；孔与孔之间间隔215mm，均匀分布6个。<8>铸件壁的连接铸件的外侧结构圆角：位于铸件壁与墙之间的转角点处一般都应该是具有外侧结构性的圆角，由于铸件转角处会有一定量的金属积聚在内侧，且内侧散热条件差，容易使铸件收缩，缩孔。在荷载作用下，转角点内容易出现应力集中，为避免应力集中，将其设计为圆角。圆角的连接尺寸和直径大小应与整个铸件的壁厚相应地适应，通常我们可以考虑使得铸件转角处的内部相邻连接圆角的直径远远不要小于其外部相邻壁厚的1.5倍，过大则过小可能会直接导致其压缩孔的运动倾向逐渐增大。避免锐角连接，以减小热节和内应力的产生。若两壁间的夹角小于90°，则应在两壁之间增加其他过渡形式。2.2.3叉形架三维模型的建立综合上述设计要点及叉形架的各尺寸参数，用Solidworks建立叉形架的三位模型。初步设计模型如下图所示：图2-SEQ图2-\*ARABIC6图2-SEQ图2-\*ARABIC7（2）模型二（叉形架内部设有两根筋）在此模型左右两侧空腔中布置两根筋，这两根筋的位置参数分别为：第一根筋位于距离连接回转台的孔中心180mm的位置，第二根筋在距离第一根筋910mm的位置。筋的厚度均为25mm。具体模型如下图所示图2-SEQ图2-\*ARABIC8图2-SEQ图2-\*ARABIC93整体铸造型截割臂的分析计算3.1分析计算的方法及步骤在竖直工况下，掘进机叉形架的升降油缸会给叉形架一个力，以控制叉形架的升降运动，同时控制截割头的升降运动。所以在分析过程中要先分析液压缸所产生的力，将其按比例换算到截割头上计算出来，再将这个力作为远程载荷与掘进机截割头在工作时所产生的扭矩作用到叉形架上，检验叉形架的强度是否能够适应工况。对上述模型进行分析，检验其结构的合理性。3.2不同工况下的载荷3.2.1在竖直工况下的载荷计算：在竖直工况下，掘进机叉形架的升降油缸会给叉形架一个力，以控制叉形架的升降运动，同时控制截割头的升降运动。所以我们在分析过程中要先分析液压缸所产生的力，再将其按比例换算到截割头上计算出来，再将这个力作为远程载荷作用到叉形架上，检验叉形架的强度是否能够适应工况。同时作用到叉形架上的还有掘进机截割头在工作时所产生的扭矩。表3-1给定基本参数截割电机功率P/(KW)150最大回转角γ/(°)30悬臂总长L/(mm)4080升降油缸活塞直径D/(mm)180减速机减速比i215升降油缸活塞杆直径D/(mm)110整机重量G/(N)5.5×10升降油缸进油压力p/(MPa)23最大仰角α/(°)30转速/(r/min)60最大俯角β/(°)3机械效率0.7如图所示，掘进机截割头未升降时，在ΔAOB中，OA=m,OB=n,由此可求得∠AOB=arccosm2给定掘进机油缸支点数据：OA=m=700mm，OB=n=1830mm，AB=1750mm带入公式（1）求得∠AOB=arccosn2+m图3-SEQ图3-\*ARABIC1如图所示，掘进机截割头向上α°，α∈（0°，30°）时，油缸由上图的B点升到C点，∠AOC=∠AOB+α°，令∠AOB=θ，在ΔAOC中，OA=m，OC=n，由此可求得AC=m2cos∠OCA=AC2图3-SEQ图3-\*ARABIC2如图所示，掘进机截割头向下β°，β∈（0°，25°）时，油缸由上图的B点升到D点，∠AOD=∠AOB-β°，令∠AOB=θ，在ΔAOD中，OA=m，OD=n，由此可求得AD=m2cos∠ODA=n2图3-SEQ图3-\*ARABIC3受力分析：（1）求油缸受力：图3-SEQ图3-\*ARABIC4活塞杆伸出和缩回时产生的推力F2和拉力FF2=P∙π4F2'=P0∙π截割头升降油缸活塞直径：D=180mm;活塞杆直径：d=110mm;油缸进油压力：p=23MPa;p0=6MPa；机械效率η=0.7。带入公式（4）（5）求得活塞杆伸出和缩回时产生的推力F1和拉力F2F2（2）求截割头向上截割时的阻力图3-SEQ图3-\*ARABIC5R1=F1L=F3=F∠1=∠OCA由上述公式可得截割头向上截割时的阻力当α=0°时，R1当α=30°时，R1综上所述，当α=0°时，R1最大，R（3）求截割头向下截割时的阻力图3-SEQ图3-\*ARABIC6R2=F1L=2FF3=F∠2=∠ODA由上述公式可得截割头向下截割时的阻力当β=0°时，R2当β=25°时，R2综上所述，当β=25°时，R2最大，R3.2.2在横摆工况下的载荷计算图3-SEQ图3-\*ARABIC7在横摆工况下，掘进机受力情况如图所示：掘进机的两个回转油缸会给回转台两个力（即图中的F4、F表3-2给定基本参数：截割电机功率P/(KW)150最大回转角γ/(°)30悬臂总长L/(mm)4080升降油缸活塞直径D/(mm)180减速机减速比i215升降油缸活塞杆直径D/(mm)110整机重量G/(N)5.5×10升降油缸进油压力p/(MPa)23最大仰角α/(°)30转速/(r/min)60最大俯角β/(°)3机械效率0.7当截割臂处于中间位置时：GH=1200mm，EF=500mm，EK=FH=1400mm，OE=OF=1350mm，EF与GH之间的水平距离为1300mm。由上述参数可知cos∠OKE=IG2+EG则∠OKE=∠IHF=72.78°∠OEK=∠IFH=25.1°F4∙OK∙cos∠OKE+F5∙OH∙cos∠OHF=求油缸的受力图3-SEQ图3-\*ARABIC8活塞杆伸出和缩回时产生的推力F4和拉力FF4=P∙π4F5=P0∙π4掘进机回转油缸活塞直径：D=200mm;活塞杆直径：d=110mm;油缸进油压力：p=23MPa;p0=6MPa；机械效率η=0.7。带入上述公式求得活塞杆伸出和缩回时产生的推力F4和拉力F4F5掘进机向左15°截割煤岩时的阻力掘进机向左15°截割煤岩时∠OEK=40.1°∠OHF=10.1°R=FF4∙OK∙cos∠OGK+F5∙OH∙cos∠OHF=由上述公式可得R=147561.06N3.3受力分析3.3.1对模型一进行受力分析：<1>模型简化在进行受力分析之前，首先要对模型进行简化，以避免模型中的细微部分对受力分析造成一些不必要的影响。因模型中含有数量较多的螺纹孔以及用于除尘的喷雾孔，其对模型的受力性能几乎不会产生什么影响，但是在对模型进行网格化时，在这些螺纹孔和用于除尘的喷雾孔周围会造成网格化困难或网格密度很大的问题，为了避免这些情况的出现，所以，在对模型进行受力分析之前，首先要对模型进行简化。<2>网格尺度的确定利用Solidworks对模型进行分析，记录不同网格密度下叉形架的应变值，结果显示如下：当应变的变化范围小于5％时，此时的网格尺度是最为合适的网格尺度，并且后续分析将在此网格密度下进行。先将网格尺度设置为较大的数值（67），试测该模型的网格化情况。然后不断被改变网格尺度，对模型进行受力分析，记录不同网格尺度下模型的应变情况，并绘制成表格，观察其变化趋势，当模型的应变波动范围在5％时，说明此时的的网格尺度是合适的，选择这个范围内的一个网格尺度，作为后续分析时的网格密度。观察上表，选择网格尺度度为40mm。<3>不同工况下的受力分析掘进机在截割煤岩时，叉形架不仅承受截割阻力还承受截割头转动带来的扭矩。我们在进行分析时，采用将截割头上的扭矩作用到叉形架法兰盘上的方法分析。即我们在利用Solidworks对叉形架受力进行分析计算时，要将截割阻力与截割头转动产生的扭矩作为载荷，共同作用域叉形架的法兰面。（1）当截割头向上30°方向截割煤岩时，利用Solidworks对叉形架进行模拟受力分析，计算结果显示应力情况如下：图3-SEQ图3-\*ARABIC9由上图结果显示，截割头向上30°方向（及向上最大限度）截割煤岩时，叉形架所受的最大应力为424.0MPa。最大应力发生在图中红色标注位置。此处应力详情如下图所示：图3-SEQ图3-\*ARABIC10图3-SEQ图3-\*ARABIC11此最大应力出现的位置并非叉形架主要受力部位，因此不会对叉形架受力性能造成很大的影响。因此该叉形架有足够的能力承受截割头向下运动时所产生的应力。（2）当截割头向下25°截割煤岩时，利用Solidworks对叉形架进行模拟受力分析，计算结果显示应力情况如下：图3-SEQ图3-\*ARABIC12由上图结果显示，截割头向上30°方向（及向上最大限度）截割煤岩时，叉形架所受的最大应力为303.7MPa。最大应力发生在图中红色标注位置。此处应力详情如下图所示：图3-SEQ图3-\*ARABIC13图3-SEQ图3-\*ARABIC14由上表可知：叉形架所承受的最大应力小于叉形架的屈服极限，因此该叉形架有足够的能力承受截割头向下运动时所产生的应力。当截割头向左15°（左右情况相同）截割煤岩时，利用Solidworks对叉形架进行模拟受力分析，计算结果显示应力情况如下：图3-SEQ图3-\*ARABIC15上图结果显示截割头向左15°截割煤岩时，叉形架所受最大应力为175.7MPa，此最大应力小于叉形架的屈服极限，因此该叉形架有足够的能力承受截割头向下运动时所产生的应力。3.2.2对模型二进行分析，检验其结构的合理性表3-3给定基本参数截割电机功率P/(KW)150最大回转角γ/(°)30悬臂总长L/(mm)4080升降油缸活塞直径D/(mm)180减速机减速比i215升降油缸活塞杆直径D/(mm)110整机重量G/(N)5.5×10升降油缸进油压力p/(MPa)23最大仰角α/(°)30转速/(r/min)60最大俯角β/(°)3机械效率0.7如图所示，掘进机截割头未升降时，在ΔAOB中，OA=m,OB=n,由此可求得∠AOB=arccosm2给定掘进机油缸支点数据：OA=m=700mm，OB=n=1830mm，AB=1750mm带入公式（1）求得∠AOB=arccosn2+m图3-SEQ图3-\*ARABIC16如图所示，掘进机截割头向上α°，α∈（0°，30°）时，油缸由上图的B点升到C点，∠AOC=∠AOB+α°，令∠AOB=θ，在ΔAOC中，OA=m，OC=n，由此可求得AC=m2cos∠OCA=AC2图3-SEQ图3-\*ARABIC17如图所示，掘进机截割头向下β°，β∈（0°，25°）时，油缸由上图的B点升到D点，∠AOD=∠AOB-β°，令∠AOB=θ，在ΔAOD中，OA=m，OD=n，由此可求得AD=m2cos∠ODA=n2图3-SEQ图3-\*ARABIC18受力分析（1）求油缸受力：图3-SEQ图3-\*ARABIC19活塞杆伸出和缩回时产生的推力F2和拉力FF2=P∙π4F2'=P0∙π截割头升降油缸活塞直径：D=230mm;活塞杆直径：d=110mm;油缸进油压力：p=23MPa;p0=6MPa；机械效率η=0.7。带入公式（4）（5）求得活塞杆伸出和缩回时产生的推力F1和拉力F2F2（2）求截割头向上截割时的阻力图3-SEQ图3-\*ARABIC20R1=F1L=F3=F∠1=∠OCA由上述公式可得截割头向上截割时的阻力当α=0°时，R1当α=30°时，R1综上所述，当α=0°时，R1最大，R（3）求截割头向下截割时的阻力图3-SEQ图3-\*ARABIC21R2=F1L=2FF3=F∠2=∠ODA由上述公式可得截割头向下截割时的阻力当β=0°时，R2当β=25°时，R2综上所述，当β=25°时，R2最大，R（4）截割头向左15°截割时的阻力图3-SEQ图3-\*ARABIC22掘进机向左15°截割煤岩时∠OEK=40.1°∠OHF=10.1°R=FF4∙OK∙cos∠IGE-F5∙OH∙cos∠OHF=由上述公式可得R=147561.06N网格密度的确定选择与上一模型相同的网格密度（1）当截割头向上30°方向截割煤岩时，利用Solidworks对叉形架进行模拟受力分析，计算结果显示应力情况如下：图3-SEQ图3-\*ARABIC23由上图结果显示，截割头向上30°方向（及向上最大限度）截割煤岩时，叉形架所受的最大应力为446.8MPa。最大应力发生在图中画圈位置。此处应力详情如下图所示：图3-SEQ图3-\*ARABIC24图3.2.18此最大应力出现的位置并非叉形架主要受力部位，因此不会对叉形架受力性能造成很大的影响。因此该叉形架有足够的能力承受截割头向下运动时所产生的应力。（2）当截割头向下25°截割煤岩时，利用Solidworks对叉形架进行模拟受力分析，计算结果显示应力情况如下：图3-SEQ图3-\*ARABIC25计算结果显示，截割头向下25°方向（及向上最大限度）截割煤岩时，叉形架所受的最大应力为284.2MPa。最大应力发生在图中画圈位置。此处应力详情如下图所示：图3.3.20此最大应力出现的位置并非叉形架主要受力部位，因此不会对叉形架受力性能造成很大的影响。因此该叉形架有足够的能力承受截割头向下运动时所产生的应力。（3）当截割头向左15°（左右情况相同）截割煤岩时，利用Solidworks对叉形架进行模拟受力分析，计算结果显示应力情况如下：图3-SEQ图3-\*ARABIC26由上图可以看出截割头向左15°截割煤岩时，叉形架所受最大应力为184.5MPa，此最大应力小于叉形架的屈服极限，因此该叉形架有足够的能力承受截割头向下运动时所产生的应力。通过对上述两种模型的分析并对其进行比较得：两种模型的力学性能基本一样，第二种模型与第一种模型相比较更加节省材料，它在节省材料的基础上又能够满足其所需要达到的性能，符合机械零件设计的可靠性、经济性原则，所以排除第一种模型，选择第二种模型，并对其进行优化，以达到更加优良的性能。

4整体铸造型掘进机截割臂结构的优化改进设计4.1叉形架结构薄弱区的确定结构优化设计主要是指在一个给定的制约条件下，按照一定的需求(例如重量最轻、造价最低、刚度最高等)来求得最佳的设计方案。它的主要目的就是期待着优化后产品能够做到更好，使用得比较可靠而且具备更大的社会经济效益。一般按结构优化的层次分为：尺寸优化和形状优化，这些分别对应产品设计的详细设计阶段和基本设计阶段。其中进行尺寸优化主要指的是在满足