秦國明

(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

0 引 言

掘進(jìn)機(jī)主要負(fù)責(zé)煤層的掘進(jìn)與轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)，是煤礦井下采煤作業(yè)的直接設(shè)備[1-3]。截割臂作為掘進(jìn)機(jī)直接接觸煤層，實(shí)現(xiàn)落煤的重要機(jī)構(gòu)，其服役條件極為苛刻，是掘進(jìn)機(jī)極易出現(xiàn)故障的部件，其工作可靠性要求較高[4]。一旦掘進(jìn)機(jī)截割臂出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致井下作業(yè)停滯和安全事故發(fā)生，給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此截割臂各個(gè)組成部件的強(qiáng)度特征至關(guān)重要[5-6]。筆者針對某型號掘進(jìn)機(jī)截割臂工作可靠性優(yōu)化目標(biāo)，以截割臂伸縮外筒為研究對象，對其開展強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，目的是提高整個(gè)截割臂工作安全性和可靠性，保證整個(gè)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為企業(yè)安全生產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)。

1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

掘進(jìn)機(jī)是一種集截割、裝載、輸運(yùn)、行走、噴霧等功能于一身的煤礦采掘設(shè)備。目前煤炭企業(yè)應(yīng)用較為廣泛的為橫軸式掘進(jìn)機(jī)，主要由截割機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)布置中截割頭和截割臂軸線相互垂直，截割頭負(fù)責(zé)水平進(jìn)給，懸臂負(fù)責(zé)水平擺動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤炭巷道的掘進(jìn)功能。圖圖1所示，截割臂作為掘進(jìn)機(jī)的重要組成部件，直接關(guān)系著煤炭巷道掘進(jìn)功能的實(shí)現(xiàn)和掘進(jìn)效果的高低。伸縮外筒作為截割臂伸縮功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部件，受力情況極為復(fù)雜，隨著煤炭需求量的提高，對其可靠性要求越來越高。

圖1 截割臂組成1.截割頭 2.伸縮部 3.減速器 4.電動機(jī)

掘進(jìn)機(jī)工作過程的基本原理如下：電動機(jī)為截割頭提供動力，經(jīng)過減速器進(jìn)行降速增扭，驅(qū)動掘進(jìn)機(jī)截割頭旋轉(zhuǎn)；伸縮臂作為截割頭伸縮運(yùn)動的主要部件，實(shí)現(xiàn)截割頭與煤炭之間的截割量；截割頭在旋轉(zhuǎn)與伸縮動作的共同作用下實(shí)現(xiàn)煤炭的連續(xù)截割。

2 截割臂伸縮外筒有限元分析

2.1 三維模型的建立

為了更好的模擬伸縮外筒的實(shí)際工作情況，此處采用Pro/E軟件建立整個(gè)截割臂的三維模型，仿真完成之后提取伸縮外筒進(jìn)行分析。為了提高ANSYS仿真計(jì)算結(jié)果的效率，三維建模時(shí)省略了截割臂組成部件中對分析結(jié)果影響不大的螺紋孔等結(jié)構(gòu)。

2.2 材料屬性設(shè)置

截割臂三維模型導(dǎo)入ANSYS仿真計(jì)算軟件之后進(jìn)行材料屬性設(shè)置，伸縮外筒材料牌號為ZG35CrMo，材料屬性參數(shù)如下：彈性模量為206 GPa，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為510 MPa，抗拉強(qiáng)度為740 MPa。除此之外的部件設(shè)置為剛性材料。

2.3 網(wǎng)格劃分

整個(gè)截割臂涉及兩部分，一部分為塑性部件，即伸縮外筒，另一部分為剛性部件，即除伸縮外筒之外的組件。網(wǎng)格劃分時(shí)塑性部件采用Solid92單元類型，剛性部件采用Solid45單元類型。為了提高伸縮外筒的仿真計(jì)算結(jié)果，對其網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化。

2.4 載荷施加

服役掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)截割臂不僅需要承受較大的自身重量，還需要承受煤炭掘進(jìn)時(shí)的回轉(zhuǎn)力矩、推進(jìn)力、垂直力和橫向力等。實(shí)際工作中掘進(jìn)機(jī)截割臂進(jìn)給過程中所受載荷最大，計(jì)算得最大推力為600 kN，威脅截割臂的安全使用性能。因此分析伸縮外筒強(qiáng)度時(shí)，僅對其施加最大推進(jìn)力載荷的施加。

2.5 仿真結(jié)果分析

截割臂有限元仿真分析計(jì)算完成，提取伸縮外筒的米塞斯等效應(yīng)力分布云圖，如圖2所示。由圖2可以看出，外筒表面與圓弧面過渡連接位置、方孔夾角位置和耳環(huán)外筒焊接位置存在明顯的應(yīng)力集中情況，最大應(yīng)力值為498.23 MPa，其余部位所受應(yīng)力較小。相較于伸縮外筒材料的屈服強(qiáng)度510 MPa，二者極為接近。當(dāng)前是對截割臂伸縮外筒的靜強(qiáng)度分析，因其實(shí)際工作時(shí)，承受靜載荷之外還存在煤炭對其截割時(shí)的反作用力動載荷，最大應(yīng)力接近材料屈服強(qiáng)度時(shí)，載荷的突然波動就可出現(xiàn)伸縮外筒的破壞，導(dǎo)致出現(xiàn)截割臂故障甚至事故。

圖2 伸縮外筒應(yīng)力 圖3 截割臂伸縮外筒應(yīng)力 分布云圖 集中位置

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化方案

截割臂伸縮應(yīng)力集中位置包括以下三個(gè)位置分別是外筒表面與圓弧面過渡連接位置、方孔夾角位置、耳環(huán)外筒焊接位置，如圖3所示。為了改善伸縮外壁應(yīng)力集中情況，提高截割臂工作可靠性，需要對應(yīng)力集中位置進(jìn)行改進(jìn)。綜合考慮改進(jìn)技術(shù)方法和難度，確定通過在原來伸縮外筒結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將外筒表面與圓弧面過渡連接位置的圓角半徑增大1 mm，方孔夾角位置增加45°倒角，耳環(huán)外筒焊接位置的圓角半徑增大2 mm。改進(jìn)之后的伸縮外筒能夠與截割臂正常組裝，改進(jìn)難度小，方法經(jīng)濟(jì)可行。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)截割臂伸縮外筒改進(jìn)方案，首先修改其三維模型，再次導(dǎo)入ANSYS仿真計(jì)算軟件進(jìn)行分析，以便驗(yàn)證改進(jìn)方法的可行性及效果。為了便于改進(jìn)效果前后的比較，要求改進(jìn)后伸縮外筒仿真計(jì)算前處理過程及參數(shù)與改進(jìn)前保持一致。前處理完成之后啟動ANSYS軟件自帶求解器進(jìn)行強(qiáng)度分析。由圖4伸縮外筒應(yīng)力分布云圖可以看出，改進(jìn)之后的伸縮外筒最大應(yīng)力明顯降低，改善了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值僅為243.83 MPa，位置出現(xiàn)在耳環(huán)連接孔位置。計(jì)算得出伸縮外筒的安全系數(shù)為2.09，足以滿足截割臂設(shè)計(jì)要求。

圖4 改進(jìn)伸縮外 圖5 改進(jìn)伸縮外筒位移 筒應(yīng)力 分布云圖

由ANSYS仿真計(jì)算結(jié)果中提取改進(jìn)之后伸縮外筒等效位移分布云圖，如圖5所示，可以得出，截割臂伸縮外筒工作過程中的最大位移為5.686 mm，出現(xiàn)在伸縮外筒前端支撐滾筒的位置。因?qū)嶋H截割臂尺寸較大，伸縮外筒的實(shí)際變形與之相比較小，可以忽略不計(jì)，因此可得，截割臂伸縮外筒的位移變化滿足截割臂要求，工程應(yīng)用中的剛度滿足截割臂使用要求。

分布云圖為了確定截割臂伸縮外筒優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，將改進(jìn)之后的伸縮外筒應(yīng)用于改進(jìn)之前的截割機(jī)中進(jìn)行試運(yùn)行，對其進(jìn)行為期半年的跟蹤記錄。運(yùn)行結(jié)果表明，改進(jìn)截割臂伸縮外筒運(yùn)行穩(wěn)定可靠，提高了其水平推進(jìn)能力。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，改進(jìn)伸縮外筒的應(yīng)用，降低了掘進(jìn)機(jī)約15%因截割臂故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，提高了10%～12%伸縮外筒使用壽命，提高了約3%的掘進(jìn)機(jī)采煤產(chǎn)量，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近250萬元/年。

4 結(jié) 語

通過對某型號掘進(jìn)機(jī)截割臂伸縮外筒進(jìn)行強(qiáng)度分析，得出伸縮外筒的表面與圓弧面過渡連接位置、方孔夾角位置和耳環(huán)外筒焊接位置存在應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為498 Pa，接近材料屈服強(qiáng)度，存在安全隱患。通過增大伸縮外筒圓角半徑和倒角尺寸，改善了伸縮外筒的應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)用結(jié)果表明，改進(jìn)伸縮外筒的應(yīng)用，提供了掘進(jìn)機(jī)截割部分的可靠性，保證了掘進(jìn)機(jī)的工作效率，為企業(yè)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。