掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)油缸的疲勞特性分析

龐燕飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)朔州朔煤王坪煤電公司， 山西 朔州 038300）

引言

掘進(jìn)機(jī)是目前煤礦應(yīng)用最廣泛、機(jī)械化程度最高的掘進(jìn)設(shè)備[1]。隨著開采深度的加深，開采環(huán)境的逐漸惡劣，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的各方面要求也越來越苛刻。不僅要求掘進(jìn)機(jī)能夠快速掘進(jìn)巷道，而且要求在安全的基礎(chǔ)上，掘進(jìn)機(jī)可滿足各種井下惡劣環(huán)境，保證掘進(jìn)任務(wù)的及時(shí)完成。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的為懸臂式掘進(jìn)機(jī)[2]。本文主要以懸臂式掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分析了懸臂式掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)油缸的疲勞特性。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的主要部件是截割頭，截割頭是與煤壁接觸的主要裝置，截割頭一般呈錐形形狀，截齒在裝置上分布軌跡為三條螺旋線，是掘進(jìn)機(jī)的主要耗損部件。截割頭連接在截割臂上，截割臂主要是由主軸、伸縮臂、伸縮油缸等裝置組成，通過油缸的伸縮來完成相關(guān)動(dòng)作?；剞D(zhuǎn)臺(tái)是通過鑄造來制作的，截割部通過回轉(zhuǎn)臺(tái)來實(shí)現(xiàn)左右回轉(zhuǎn)的動(dòng)作[3]。升降油缸給于回轉(zhuǎn)臺(tái)上下擺動(dòng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)油缸通過銷軸連接回轉(zhuǎn)臺(tái)和本體架，給于設(shè)備實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。本體架在整個(gè)機(jī)械的中間位置，通過加厚鋼材焊接而成，是整套設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)。

圖1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)油缸的疲勞特性分析

當(dāng)設(shè)備的機(jī)構(gòu)承受到低于其極限載荷力的反復(fù)作用而發(fā)生破裂損壞的現(xiàn)象是疲勞，在實(shí)際生產(chǎn)中，許多零部件的損壞都是由于材料的疲勞損耗引起的。通常將疲勞分為高周疲勞和低周疲勞。

回轉(zhuǎn)油缸的疲勞特性分析需要編寫回轉(zhuǎn)油缸的程序加載譜，首先確定回轉(zhuǎn)油缸的一維加載譜長(zhǎng)選擇37 500 次作業(yè)循環(huán)，由于油缸存在拉動(dòng)和推動(dòng)兩個(gè)動(dòng)作，并且兩個(gè)動(dòng)作的工作比例為1∶1，這就確定了回轉(zhuǎn)油缸拉動(dòng)載荷和推動(dòng)載荷兩個(gè)動(dòng)作的一維加載譜長(zhǎng)均分為18 750 次。載荷幅值是疲勞分析中的一個(gè)重要參數(shù)，能夠比較明確地反映出疲勞分析中結(jié)果的可靠性和結(jié)果的可信度。本文中采用將二維載荷譜等效均值為0 MPa 的一維程序加載譜，其中的等效方程式如公式（1）：

式中：Pa為載荷幅值；Peq為等效載荷幅值；Pm為載荷均值；Pb為極限壓力載荷。

ANSYS Workbench 中的 Fatigue Tool 可以對(duì)回轉(zhuǎn)油缸的疲勞特性進(jìn)行分析，主要是基于結(jié)構(gòu)有限元的靜態(tài)分析[4]。通過查數(shù)據(jù)手冊(cè)得出，回轉(zhuǎn)油缸的缸體材料設(shè)置為45 鋼，活塞桿材料為40Cr。靜態(tài)分析完成后，引入疲勞工具，定義類型為History Data，導(dǎo)入上文中的一維程序加載譜如下頁表1。采用低-高- 低的加載方式，分析應(yīng)力疲勞，設(shè)置Stress Component 為Equivalent，添加回轉(zhuǎn)油缸的疲勞結(jié)果就可以得到回轉(zhuǎn)油缸的疲勞壽命。

3 優(yōu)化改造措施

回轉(zhuǎn)油缸的疲勞分析壽命分布圖如下頁圖2 所示，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)在回轉(zhuǎn)油缸的端部銷軸孔處是最小疲勞壽命出現(xiàn)的地方，最小應(yīng)力循環(huán)為35 132 次，載荷譜輸入的時(shí)間周期為375 000 次載荷循環(huán)，也就是說每天掘進(jìn)機(jī)工作8 h，回轉(zhuǎn)油缸可以持續(xù)工作3.47 年，分析結(jié)果與朔州煤礦實(shí)際生產(chǎn)中回轉(zhuǎn)油缸的使用年限基本一致，說明有限元分析結(jié)果是合理的。

表1 回轉(zhuǎn)油缸載荷數(shù)據(jù)一維載荷譜

4 結(jié)論

圖2 回轉(zhuǎn)油缸的疲勞壽命分布圖

根據(jù)分析結(jié)果可以判定，掘進(jìn)機(jī)的油缸缸體和活塞桿能夠完全滿足設(shè)計(jì)需要，但是銷軸孔容易出現(xiàn)疲勞失效狀況，這就需要進(jìn)行材料優(yōu)化改造。提出油缸端部銷軸連接處使用35CrMo 材料，實(shí)踐表明，使用該材料能夠增強(qiáng)端部的疲勞特性，增強(qiáng)抗屈服能力。