趙 鑫

（晉能控股煤業(yè)浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 朔州 036000）

引言

隨著各煤礦對(duì)煤礦資源需求的不斷擴(kuò)大，國內(nèi)政府及企業(yè)紛紛加大了對(duì)煤礦資源的支持及開采力度，越來越多的煤礦設(shè)備被應(yīng)用到井下煤礦開采中。礦用掘進(jìn)機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)工作面煤礦的開采作業(yè)，在各大煤礦開采區(qū)域均得到了廣泛應(yīng)用[1]。但由于井下環(huán)境的惡劣性，掘進(jìn)機(jī)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)工作溫度較高、振動(dòng)劇烈、結(jié)構(gòu)件疲勞失效、電機(jī)短路等失效現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了煤礦的高效開采及工作面的正常運(yùn)行[2]。其中，后架作為掘進(jìn)機(jī)中的關(guān)鍵部件，保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度的穩(wěn)定，對(duì)提高掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)效率至關(guān)重要。為此，利用當(dāng)前成熟的有限元分析技術(shù)，開展了對(duì)EBZ160A 型掘進(jìn)機(jī)中后架在使用過程中的結(jié)構(gòu)性能研究，找到了其結(jié)構(gòu)存在的薄弱點(diǎn)，提出后架結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，這對(duì)提高后架及掘進(jìn)機(jī)的使用壽命具有重要意義。

1 掘進(jìn)機(jī)及后架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

礦用掘進(jìn)機(jī)在井下作業(yè)時(shí)主要負(fù)責(zé)井下煤層的切割作業(yè)，常與采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備進(jìn)行配套使用。以EBZ160A 型掘進(jìn)機(jī)中后架為例，其結(jié)構(gòu)主要包括截割機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、后架等部分[3]，與傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)相比，該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)的最大高度不超過1.5 m，其機(jī)身相對(duì)較矮，能實(shí)現(xiàn)井下1.8 m 巷道條件下的煤礦掘進(jìn)作業(yè)，有效提高了出煤質(zhì)量及掘進(jìn)效率[4]。后支架作為掘進(jìn)機(jī)中的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)主要包括連接架、后支架、后架連接板、連接板及泵站支架等部位，其中，后架連接板通過12 顆M24 螺栓與主機(jī)架進(jìn)行連接，電控箱支架與泵站支架則主要通過16顆M20 的螺栓與后支架進(jìn)行連接[5]，由此實(shí)現(xiàn)后支架的相互連接。掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)，由于會(huì)受到無規(guī)律的較大外界沖擊作用，加上設(shè)備的工作時(shí)間較長，導(dǎo)致后架在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重、局部開裂或結(jié)構(gòu)斷裂等失效現(xiàn)象，而后支架一旦出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效，將極可能使支架上的相關(guān)設(shè)備掉落至地面甚至摔壞[6]。為此，結(jié)合后架的實(shí)際使用工況，對(duì)其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行綜合分析十分有必要。

2 后架模型建立

2.1 后架三維模型建立

為掌握后架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及綜合性能，利用Solidworks 軟件建立了掘進(jìn)機(jī)后架的三維模型。根據(jù)EBZ160A 型掘進(jìn)機(jī)中后架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所建立的后架模型主要包括連接架、后支架、連接板及泵站支架等部位。為保證后架分析結(jié)果的準(zhǔn)確性及快速性，并減少誤差，將后架中的非關(guān)鍵圓角、倒角、較小螺栓孔等進(jìn)行了模型簡化，僅保留了后架上的關(guān)鍵部件，最終按照1∶1 的模型比例建立了后架的三維模型，如圖1 所示。

圖1 后架三維模型圖

2.2 后架仿真模型建立

將建立的三維模型導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，建立后架的仿真模型。在軟件中，將后架的材料屬性設(shè)置為Q235 材料，根據(jù)Q235 材料的性能參數(shù)可知其屈服強(qiáng)度為235 MPa，彈性模量為206 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.28。同時(shí)，將后架支架中各部件之間的接觸面進(jìn)行自由contact 接觸設(shè)置，對(duì)螺絲連接孔進(jìn)行固定約束。根據(jù)后架的結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)后架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為12 mm，并對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密，劃分后的單元數(shù)量為882 856 個(gè)，后架的網(wǎng)格劃分圖如圖2 所示。另外，對(duì)后架中的左右電控箱平臺(tái)施加14.5 kN 的向下重力載荷，中部泵站支架也設(shè)置16 kN 的向下重力，并對(duì)后架的前端面進(jìn)行了tie 全自由的固定約束。由此完成了對(duì)后架仿真模型的建立。

圖2 后架網(wǎng)格劃分圖

3 后架使用過程中的結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 后架應(yīng)力變化分析

圖3 為掘進(jìn)機(jī)后架在使用過程中的應(yīng)力變化圖，通過對(duì)應(yīng)力云圖分析可知：后架整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力分布不均勻，局部區(qū)域出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力出現(xiàn)在中部泵站支架上，后端支架也出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。后架的其余區(qū)域應(yīng)力則相對(duì)較小。由此，找到了后架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化規(guī)律。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因主要為后架受到電控箱及泵站向下的作用力，導(dǎo)致在支架與支架的連接處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力，其余區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較好，故未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力。由此可知，后架的中部泵站支架是一個(gè)薄弱部位，在使用時(shí)需對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)觀察及維護(hù)保養(yǎng)。

圖3 后架應(yīng)力變化圖

3.2 后架結(jié)構(gòu)位移變化分析

圖4 為后架在使用過程中的結(jié)構(gòu)位移變化圖，通過對(duì)云圖分析可知，后架整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)位移變化，最大結(jié)構(gòu)變形量出現(xiàn)在作業(yè)電控箱左右支架的后端，沿著支架前端方向，結(jié)構(gòu)變形量呈逐漸減小的變化趨勢(shì)。后架的中部泵站支架、前端連接架等區(qū)域基本未出現(xiàn)位移變化。由此可說明后架的左右電控箱支架是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，特別是支架后端；由于后架在使用時(shí)所受到的外界載荷具有不確定性，經(jīng)常會(huì)受到猛烈的不均勻載荷沖擊作用，當(dāng)后架的軸端上作用力長時(shí)間超過其峰值載荷及峰值位移，最終將極易導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形、開裂或斷裂等失效現(xiàn)象，這對(duì)后架結(jié)構(gòu)及掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，故需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)研究。

圖4 后架結(jié)構(gòu)位移變化圖

4 后架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

經(jīng)過分析研究，得出后架的左右電控箱尾端及中部的泵站支架均是整個(gè)結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，一旦后架處于長時(shí)間的超負(fù)荷作業(yè)，將極容易導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形、開裂或斷裂等失效現(xiàn)象，這對(duì)后架結(jié)構(gòu)及掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，故從多個(gè)方向提出了后架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，具體如下：

1）針對(duì)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的較大應(yīng)力區(qū)域，在非受力部位開設(shè)直徑2～3 mm 的圓孔，使得中部支架及左右支架上的較大應(yīng)力能轉(zhuǎn)移至圓孔的薄弱部位，緩解后架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力均勻性；

2）根據(jù)后架的實(shí)際使用工況，可考慮將其材料由屈服強(qiáng)度為235 MPa 的Q235 改變?yōu)榍?qiáng)度為345 MPa 的Q345 材料，這將提高后架的支撐性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止或降低該結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效概率；

3）對(duì)后架中的左右支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，在左右支架后端添加支撐條及加強(qiáng)板，數(shù)量可根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，并將左右支架尾端材料厚度增加2 mm，以提高后端的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少其結(jié)構(gòu)變形；

4）左右支架整體可采用中部架空及增加支撐的結(jié)構(gòu)模式，既可減輕結(jié)構(gòu)重量，又提高了其結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度；

5）定期對(duì)后架關(guān)鍵受力部件的結(jié)構(gòu)性能及變形情況進(jìn)行觀察、巡檢及維護(hù)保養(yǎng)，一旦發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)發(fā)生變形并影響到后架的支撐性能時(shí)，需及時(shí)采取結(jié)構(gòu)加固或其他應(yīng)急措施，以保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的作業(yè)安全。

5 結(jié)論

1）后架中電控箱尾端及中部的泵站支架均是整個(gè)結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，一旦后架長時(shí)間處于超負(fù)荷作業(yè)狀態(tài)，將極容易導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形、開裂或斷裂等失效現(xiàn)象，這對(duì)后架結(jié)構(gòu)及掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，由此也掌握了后架的結(jié)構(gòu)性能變化規(guī)律。

2）從材料屬性、結(jié)構(gòu)尺寸及應(yīng)力轉(zhuǎn)移等方面提出了后架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，這為提高后架的結(jié)構(gòu)性能及使用壽命，及指導(dǎo)掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)提供了重要參考依據(jù)。