劉芳忠

（冀中能源股份公司東龐礦，河北 邢臺 054201）

1 煤礦懸臂式掘進機工作原理

煤礦懸臂式掘進機是一個復雜的液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的集成，具有零件復雜、構件眾多等特點。如圖1所示，EBZ160 型煤礦懸臂式掘進機的關鍵結構包括截割頭、截割臂、回轉臺、升降油缸、回轉油缸、回轉支撐和本體架。截割頭的主要作用是對煤層進行削切、破落和破碎；截割臂是支撐截割頭的主要構件，并在截割電機的驅動下實現(xiàn)截割主軸和截割頭的旋轉和扭矩，其制造材料為ZG270-500，密度為7830kg/m3，質量為877kg，彈性模量為2.11×105MPa，泊松比為0.311，屈服強度為248MPa；回轉臺是推拉油缸式，它將截割部與本體架進行連接并實現(xiàn)截割部的左右回轉，其制造材料為35CrMo，密度為7870kg/m3，質量為7144kg，彈性模量為2.13×105MPa，泊松比為0.286，屈服強度為835MPa；升降油缸是截割部上下擺動的動力來源，可以實現(xiàn)截割部的升降，最大行程可達到600mm，其制造材料為45CrMo，密度為7890kg/m3，質量為260kg，彈性模量為2.09×105MPa，泊松比為0.269，屈服強度為355MPa；回轉油缸是截割部左右擺動的動力來源，左右行程最大可以達到650mm，其制造材料為45CrMo，密度為7890kg/m3，質量為260kg，彈性模量為2.09×105MPa，泊松比為0.269，屈服強度為355MPa；回轉支撐是連接回轉臺和本體架的中間構件，可以確?；剞D臺與本體架的相對位移，其制造材料為42CrMo，密度為7850kg/m3，質量為455kg，彈性模量為2.12×105MPa，泊松比為0.280，屈服強度為930MPa[1]；本體架的制造材料為Q235-A，密度為7860kg/m3，質量為4857kg，彈性模量為2.12×105MPa，泊松比為0.288，屈服強度為235MPa[2-4]。

圖1 煤礦懸臂式掘進機關鍵結構組裝圖和爆炸圖

2 煤礦懸臂式掘進機關鍵結構靜力學特性仿真結果分析

為了研究煤礦懸臂式掘進關鍵結構在工作狀態(tài)下的受力特征，基于有限元分析軟件ANSYS 的Workbench 模塊建立懸臂式掘進關鍵結構的三維模型，如圖1 所示。計算時，各個構件的網格劃分采用軟件內嵌的網格類型進行劃分，零件間的接觸采用Hertz 接觸理論，按軟件內部設定的柔性-柔性接觸計算方式模擬回轉臺銷軸的接觸，按最小勢能原理約束整體的接觸邊界。由于煤炭開采時的荷載十分復雜，隨機性大，因此需要基于概率性的蒙特卡洛法生成驅動油缸的荷載，以模擬煤礦懸臂式掘進機的自適應工作狀態(tài)，其隨機生成的過程為先確定載荷數(shù)據的分布規(guī)律，提取分布參數(shù)，隨后輸入需要模擬的數(shù)據個數(shù)n，產生n個符合相應分布的隨機數(shù)[5]。為真實反映截割頭、回轉油箱、升降油箱的實際載荷，按照截割頭的極限行程進行驅動油缸荷載生產，極限行程的大小表示截割頭從左極限位置擺動到右極限位置，相應地，截割臂也會跟著截割頭的擺動產生伸長和縮短，其水平角從-28°切換到+28°。

基于蒙特卡洛法隨機生成的驅動油缸荷載見表1。從表1 可以看出，左回轉油缸的拉動荷載和推動荷載的變化為6.1MPa~22.MPa 不等，而升降油缸推動荷載的變化為6.25MPa~12.37MPa。

表1 基于蒙特卡洛法生成的驅動油缸荷載

工作時，煤礦懸臂式掘進機的截割頭在截割電機的驅動下呈現(xiàn)旋轉、擺動的運動軌跡，截割頭、左右回轉油缸、升降油缸產生負荷，截割頭運動到不同位置時，各個關鍵結構構件的最不利工程有所不同。因此進行數(shù)值模擬計算時需要考慮煤礦懸臂式掘進機工作的3 種最不利工況，分別是工況A——左右回轉油缸行程一致，截割臂保持水平；工況B——截割頭擺動到最下位置，左回轉油缸行程達到極限值（655mm），而截割臂的仰角為-26°（負值表示向下）；工況C——截割頭擺動到最上位置，左回轉油缸的形成為零，右回轉油缸的行程達到極限值（655mm），截割臂的仰角為+44°（正值表示向上）。

3 種不同工況條件下懸臂式掘進機關鍵結構的最大應力仿真計算結果如表2 和圖2 所示。從圖2 可以看出，工況A 和工況C 的懸臂式掘進機關鍵結構最大應力呈現(xiàn)大致相同的變化規(guī)律，工況B 的懸臂式掘進機關鍵結構最大應力略有不同。在工況A 和工況C 條件下，回轉臺銷軸的最大應力出現(xiàn)在1#銷軸，分別為159.19MPa、191.73MPa，其余銷軸的最大應力大致相同，左右回轉油缸和升降油缸的最大應力大致相同，工況A 左右回轉油缸和升降油缸的最大應力為112.23MPa~128.37MPa，工況C 左右回轉油缸和升降油缸的最大應力為137.04MPa~145.27MPa。在工況B 條件下，回轉臺銷軸的最大應力極值出現(xiàn)在2#銷軸、5#銷軸和7#銷軸，分別為138.71MPa、142.17MPa 和134.35MPa，其余銷軸的最大應力大致相同，左回轉、右回轉油缸和升降油缸的最大應力依次增大?；剞D臺的最大應力按工況A、工況B 和工況C 的順序依次增大。

圖2 基于蒙特卡洛法生成的驅動油缸荷載時程曲線

表2 3 種不同工況下懸臂式掘進機關鍵結構的最大應力仿真計算結果

3 煤礦懸臂式掘進機關鍵結構動力學特性仿真結果分析

煤礦懸臂式掘進機關鍵結構的動力學特性仿真分析過程為確定模型自由度和主動件，選取廣義坐標，通過運動分析確定廣義速度，隨后求解各個構件的動力學參數(shù)（動能、勢能、驅動力、速度以及加速度等），最后根據虛功原理確定廣義力，代入拉格朗日方程得到關鍵結構運動微分方程[6]。數(shù)值計算采用有限元分析軟件ANSYS 的Mechanial Dynamics 模塊，計算設定為2 種動力學工況，分別是非冗余驅動和冗余驅動。

非冗余驅動和冗余驅動條件下回轉油缸和升降油缸的驅動力仿真計算結果如圖3、圖4 和表3 所示。從圖4 可以看出，在非冗余驅動下，添加驅動力的左回旋油缸和左升降油缸呈隨動狀態(tài)，在400s 內呈規(guī)律性的波動，左回旋油缸和左升降油缸驅動力有2 個周期性的穩(wěn)定波動狀態(tài)，其驅動力波動范圍分為別為225kN~556kN、-600kN~215kN，左升降油缸動力也有2 個穩(wěn)定的波動狀態(tài)，但其波動范圍進一步縮小，驅動力波動范圍分為別為450kN~556kN、-200kN~0kN。未添加驅動力的隨動油缸（右回轉、右升降油缸）驅動力均為零。從圖5 可以看出，在冗余驅動下，左回旋油缸驅動力和右升降油缸驅動力均呈隨動狀態(tài)，在400s 內呈規(guī)律性的波動且左回旋油缸驅動力曲線與右升降油缸驅動力曲線相互間呈鏡像關系。

圖3 不同工況下懸臂式掘進機關鍵結構的最大應力曲線

圖4 非冗余驅動條件下回轉油缸和升降油缸的驅動力變化曲線

圖5 冗余驅動條件下回轉油缸和升降油缸的驅動力變化曲線

表3 非冗余驅動和冗余驅動條件下回轉油缸和升降油缸的驅動力仿真計算結果

4 結論

該文以EBZ160 型煤礦懸臂式掘進機為研究對象，采用數(shù)值模擬的手段建立三維分析模型，研究3 種最不利工況下懸臂式掘進機關鍵結構的靜力學特性，分析非冗余驅動和冗余驅動下懸臂式掘進機關鍵結構的動力學特性，得出以下幾個結論：1）工況A 和工況C 的懸臂式掘進機關鍵結構最大應力呈現(xiàn)出大致相同的變化規(guī)律，工況B 的懸臂式掘進機關鍵結構最大應力略有不同，在工況A 和工況C 條件下，回轉臺銷軸的最大應力出現(xiàn)在1#銷軸。在工況B 條件下，回轉臺銷軸的最大應力極值出現(xiàn)在2#銷軸、5#銷軸和7#銷軸，回轉臺的最大應力按工況A、工況B 和工況C 的順序依次增大。2）在非冗余驅動下，添加驅動力的左回旋油缸和左升降油缸呈隨動狀態(tài)，在400s內呈規(guī)律性的波動，回旋油缸驅動力有2 個周期性的穩(wěn)定波動狀態(tài)。在冗余驅動下，左回旋油缸驅動力和右升降油缸驅動力均呈隨動狀態(tài)，在400s 內呈規(guī)律性的波動且左回旋油缸驅動力曲線與右升降油缸驅動力曲線相互間呈鏡像關系。