李曉豁，王 丹，宋 波，何 洋

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

硬巖掘進(jìn)機(jī)在截割過程中，截割機(jī)構(gòu)的受力及其變化很大，其應(yīng)力狀態(tài)及其應(yīng)變都非常復(fù)雜，這些直接影響整機(jī)的截割性能、生產(chǎn)率和使用壽命。因此，開展硬巖掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的研究，對(duì)于硬巖掘進(jìn)機(jī)的推廣和應(yīng)用，以及我國硬巖掘進(jìn)機(jī)械化的發(fā)展具有重要的意義。目前，國內(nèi)外對(duì)硬巖掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的研究，多是基于分離體的方法，分別對(duì)截齒、齒座、頭體和懸臂進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度驗(yàn)算。[1-3]所得結(jié)果，對(duì)于掌握各部件的應(yīng)力應(yīng)變情況提供了可能。而在掘進(jìn)機(jī)工作過程中，截割機(jī)構(gòu)是作為一個(gè)整體完成截割任務(wù)的，所以有必要研究整個(gè)截割機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度。本文擬通過建立硬巖掘進(jìn)機(jī)整個(gè)截割機(jī)構(gòu)的幾何模型和應(yīng)力分析，獲取其變形量和應(yīng)力分布規(guī)律，確定最大應(yīng)力和應(yīng)變的大小及其位置，為改進(jìn)和完善截割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和工作性能創(chuàng)造條件。

1 Pro/E實(shí)體建模

硬巖掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)，由截齒、齒座、截割頭體和懸臂等組成。由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，另外考慮到掘進(jìn)機(jī)工作的特點(diǎn)、建模與后續(xù)ANSYS網(wǎng)格劃分的難易程度，基于硬巖掘進(jìn)機(jī)截齒和齒座有限元分析的基礎(chǔ)，[1]特做如下假設(shè)和簡(jiǎn)化：①建模時(shí)，保留截齒、齒座、螺旋葉片、截割頭頭體、懸臂殼體等工作重要部件，忽略懸臂內(nèi)部電動(dòng)機(jī)、減速器等結(jié)構(gòu)，將其質(zhì)量加到懸臂殼體上；②根據(jù)力線平移原理，將截齒所受的三向力等效到頭體上截齒對(duì)應(yīng)的安裝區(qū)域，形成面載荷，用截割頭體受到面載荷代替截齒受到三向力的作用；③為便于研究掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性，進(jìn)一步簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)，忽略截齒和齒座的結(jié)構(gòu)；④截割頭上螺旋葉片的作用是排屑，不影響截齒受力，分析時(shí)可以不考慮其影響。

由此，得簡(jiǎn)化后的掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化后的截割機(jī)構(gòu)

2 ANSYS有限元建模

2.1 有限元模型的建立

由于ANSYS與Pro/Engineer可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與交換，所以利用ANSYS的數(shù)據(jù)接口能精確地將在Pro/Engineer系統(tǒng)下生成的幾何數(shù)據(jù)傳入ANSYS。利用Pro/Engineer建立截割機(jī)構(gòu)實(shí)體圖，保存為igs格式，然后在ANSYS中用Import命令將實(shí)體導(dǎo)入，[4,5]再對(duì)圖形進(jìn)行拓?fù)涮幚砗托拚?，能夠建立三維有限元模型。

2.2 有限元網(wǎng)格劃分

該掘進(jìn)機(jī)截割頭長940mm，直徑600mm,平均殼厚45mm，截割頭體材料為高速鋼，材料特性參數(shù)為：彈性模量EX=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，許用應(yīng)力[σ]=240MPa；懸臂長3800mm，平均殼厚為50mm，懸臂材料為Q235號(hào)鋼，其材料特性參數(shù)為：彈性模量EX=2.10×105MPa，泊松比μ=0.33，許用應(yīng)力[σ]=235MPa。

為了滿足計(jì)算精度、速度和準(zhǔn)確性要求，本模型采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法，以生成可靠的、高質(zhì)量的體單元。[6]對(duì)于升降油缸支撐耳等處的網(wǎng)格密度和網(wǎng)格尺寸進(jìn)行合理控制和過渡。由于截割頭體和懸臂都是殼結(jié)構(gòu)，截割頭體和懸臂選擇shell殼單元shell/8node單元，[7]共劃分為24297個(gè)單元，36798個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

3 求解與結(jié)果分析

3.1 載荷與邊界條件的施加

取該機(jī)截割對(duì)象堅(jiān)固性系數(shù)f=14(能夠截割的最大強(qiáng)度，根據(jù)公式pk=44·f1.3得到巖石的接觸強(qiáng)度pk=1360MPa)時(shí)，截割頭轉(zhuǎn)速n=30r/min，懸臂橫擺速度v=0.8m/min，截齒上的作用力參照計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果，[8]取截齒最大的切削阻力、進(jìn)給阻力、側(cè)向阻力分別為29.595kN、18.583 kN、4.332 kN。根據(jù)力線平移定理，把模擬得到的三個(gè)力等效到截齒所對(duì)應(yīng)的齒座安裝區(qū)域上，得到三個(gè)力和力偶。其中三向力的數(shù)值不變，得到的力偶為：4232.1 N·m、3657.4 N·m、6195 N·m。

載荷施加：處在與巖石壁接觸范圍內(nèi)的部分截齒處于截割狀態(tài)，按極限情況在0°～180°范圍內(nèi)與巖石接觸。載荷施加在該部分截齒上。本文根據(jù)力線平移原理，將模擬得到的切削力、進(jìn)給力、側(cè)向力以及計(jì)算所得到的三個(gè)力偶施加到截割機(jī)構(gòu)頭體截齒對(duì)應(yīng)的安裝區(qū)域，形成面載荷[9]見圖3。

邊界條件的施加包括兩部分：截割機(jī)構(gòu)在截割工作時(shí)，升降油缸耳軸孔處連接油缸，將約束施加到耳軸孔上，約束耳軸孔的軸向自由度；與回轉(zhuǎn)臺(tái)連接處的銷孔連接回轉(zhuǎn)臺(tái)，將約束施加到銷軸孔上，約束銷孔的周向自由度。見圖3。

3.2 求解與分析

在ANSYS主菜單中選擇Main Menu → Solution →Solve → Current LS命令進(jìn)行求解。選擇主菜單中Main Menu → General Postproc → Plot Results → Deformed Shape命令，得截割機(jī)構(gòu)變形圖，如圖4所示。選擇主菜單中Main Menu → General Postproc → Plot Results → Contour Plot →Nodal Solu → Vov Miss Stress命令，得到截割機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖，見圖5。

圖5 截割機(jī)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

在圖4中，虛線為截割頭和懸臂變形前位置，實(shí)體為截割頭和懸臂變形后的圖形。由圖4可知，截割機(jī)構(gòu)的變形量不大，最大變形量為2.7mm，發(fā)生在截割頭前端，相對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的尺寸較小，因此對(duì)其運(yùn)動(dòng)精度及截割性能的影響可以不計(jì)。從圖5中可以看出，在懸臂殼體主軸和減速器連接處應(yīng)力σ=216MPa；在截割頭參與截割面的大端受力最大，這是由于掘進(jìn)機(jī)截割巖石時(shí)，截割頭單側(cè)截齒參與截割，所以應(yīng)力集中在參與截割的區(qū)域內(nèi)，截割頭的最大應(yīng)力為184MPa，小于材料的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求；而在升降油缸耳孔位置的最大應(yīng)力達(dá)248MPa，大于許用應(yīng)力，且有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)在截割硬巖時(shí)，該型掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的最大變形量發(fā)生在截割頭前端，變形量為2.7mm，對(duì)其運(yùn)動(dòng)精度及截割性能的影響較?。?/p>

(2)截割機(jī)構(gòu)總體上滿足強(qiáng)度要求；

(3)懸臂升降油缸的銷孔處的應(yīng)力超過強(qiáng)度范圍，而且有應(yīng)力集中現(xiàn)象，是截割機(jī)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，可以通過增大尺寸和改進(jìn)結(jié)構(gòu)，來提高其強(qiáng)度和使用壽命；

(4)所得結(jié)論，為改進(jìn)和完善硬巖掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和工作性能創(chuàng)造條件。

[1] 李曉豁，姜麗麗．硬巖掘進(jìn)機(jī)截齒與齒座的有限元分析[J]．黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,5(4):14-16.

[2] 汲方林，彭天好，許賢良．橫軸式掘進(jìn)機(jī)截齒有限元應(yīng)力分析[J]．礦山機(jī)械，2005,33(8):19-21.

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