EBZ220型掘進(jìn)機(jī)鏟板在使用中的結(jié)構(gòu)性能研究

胡文輝

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司一礦，山西 陽泉 045008）

引言

掘進(jìn)機(jī)作為煤礦開采的關(guān)鍵設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用到了煤礦開采中，而鏟板則是掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的重要部件[1]。由于掘進(jìn)機(jī)井下作業(yè)過程中經(jīng)常會(huì)遇到較大的外界載荷沖擊、摩擦阻力較大等作業(yè)條件，致使掘進(jìn)機(jī)作業(yè)過程中常出現(xiàn)電機(jī)燒壞、結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重、局部開裂、控制系統(tǒng)短路等現(xiàn)象，其中鏟板部件則會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、局部開裂等失效現(xiàn)象。由于掘進(jìn)機(jī)與采煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備處于一條開采線上，掘進(jìn)機(jī)一旦出現(xiàn)上述現(xiàn)象尤其是鏟板的失效現(xiàn)象，將會(huì)處于停機(jī)維修狀態(tài)，最終導(dǎo)致整個(gè)開采鏈處于癱瘓狀態(tài)[2]?？梢娋蜻M(jìn)機(jī)鏟板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)掘進(jìn)機(jī)的安全運(yùn)行作用重大。

1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)組成

以EBZ220型掘進(jìn)機(jī)為例，該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)的最大切割高度為3 m，煤層切割硬度小于80 MPa，運(yùn)輸能力可達(dá)220 m3/h，其結(jié)構(gòu)主要包括截割部、鏟板部、回轉(zhuǎn)部、裝運(yùn)部、行走部、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等[3]。其中：截割部包括工作臂、截割頭、截割電動(dòng)機(jī)、截割減速器等部件[4]；鏟板部則主要由中間主鏟板、左側(cè)鏟板、右側(cè)鏟板等組成，左右鏟板通過螺栓與主鏟板進(jìn)行固定連接，主鏟板的尾部鉸接耳處則通過銷軸與油缸及主機(jī)架進(jìn)行連接。由于鏟板在作業(yè)過程中將受到來自頂部的外界作用力及來自后端的拉力作用，導(dǎo)致主鏟板及左右側(cè)鏟板結(jié)構(gòu)在作業(yè)過程中會(huì)不可避免地出現(xiàn)左右側(cè)鏟板結(jié)構(gòu)變形、局部開裂等失效現(xiàn)象[5]。為此，利用當(dāng)前成熟的有限元分析方法對(duì)鏟板的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究，為提高鏟板結(jié)構(gòu)壽命提供重要理論依據(jù)。

2 鏟板模型的建立

2.1 三維模型的建立

根據(jù)鏟板的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)及性能，采用了Solidworks軟件，對(duì)其進(jìn)行了三維模型的建立。所建立的模型主要包括中部主鏟板、左右兩側(cè)鏟板、筋板及鉸接耳等部件。為提高對(duì)模型的分析精度及準(zhǔn)確性，對(duì)模型中的圓角、倒角、較小螺栓孔等進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，并將模型中的螺栓螺母、定位銷等零件也進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，僅保留了鏟板中的關(guān)鍵部件及特征，最終按照1∶1的模型比例，得到了鏟板的整體三維模型，如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)中鏟板三維模型

2.2 仿真模型的建立

將掘進(jìn)機(jī)中鏟板導(dǎo)入ABAQUS軟件中，對(duì)其進(jìn)行了仿真模型的建立。在此軟件中，首先根據(jù)鏟板實(shí)際使用中的結(jié)構(gòu)材料屬性，將其材料設(shè)置為Q345，并將此材料賦予鏟板的各個(gè)部件，Q345材料的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示[6]。根據(jù)鏟板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在軟件中將其設(shè)置為SOLID實(shí)體單元模式，對(duì)其進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分（見下頁圖2），將網(wǎng)格大小設(shè)置為12 mm，對(duì)鉸接耳處進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。另外，在鏟板中部頂面上設(shè)置了15 950 N的牽引力，在左右鏟板頂面設(shè)置了8 000 N的向后作用力。最后，對(duì)鏟板后端的鉸接孔處進(jìn)行了圓柱面約束，對(duì)其徑向及軸向則不進(jìn)行約束。

圖2 鏟板網(wǎng)格劃分圖

表1 鏟板Q345材料關(guān)鍵參數(shù)

3 鏟板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析

3.1 應(yīng)力變化的分析

通過對(duì)鏟板模型的仿真分析研究，得到了其在使用過程中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化結(jié)果，如圖3所示。由圖可知：鏟板在使用過程中整體受力較為均勻，局部區(qū)域處于相對(duì)較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力值相對(duì)較小，主要出現(xiàn)在左側(cè)、右側(cè)鏟板的前端區(qū)域；左右側(cè)板后端與鉸接耳相連接附近、后端的鉸接耳等區(qū)域也出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但均未超過其材料的屈服強(qiáng)度345 MPa。分析其原因?yàn)椋虹P板在作業(yè)過程中由于受到向后的拉力作用，加上左右側(cè)鏟板受到向下的作用力，致使其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。由此可知，鏟板的左右側(cè)前端及后端的鉸接耳等區(qū)域是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在部件使用過程中需重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

圖3 掘進(jìn)機(jī)鏟板應(yīng)力變化圖

3.2 結(jié)構(gòu)位移變形的分析

通過仿真分析，得到了鏟板在使用過程中的結(jié)構(gòu)位移變形圖，如圖4所示。由圖可知：鏟板整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的變形現(xiàn)象，且呈無規(guī)律的變化趨勢(shì)，最大變形量出現(xiàn)在左側(cè)、右側(cè)鏟板的邊緣，并向左右側(cè)鏟板中部區(qū)域呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)；同時(shí)，在中部鏟板的前端也出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，并沿著中部鏟板的尾端方向呈逐漸減小趨勢(shì)。分析其原因?yàn)椋虹P板在作業(yè)時(shí)也受到了來自尾端的較大作用力及上部的較大壓力，導(dǎo)致左右側(cè)鏟板因結(jié)構(gòu)尺寸較小而出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形，使得左右側(cè)鏟板成為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位。鏟板長(zhǎng)時(shí)間在惡劣條件下工作將極可能率先在左右側(cè)鏟板區(qū)域出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或局部開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著鏟板及掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)安全，故需對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖4 掘進(jìn)機(jī)鏟板結(jié)構(gòu)變形圖

4 鏟板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)措施

根據(jù)前文的分析結(jié)果可知，鏟板的左右兩側(cè)鏟板、中間主鏟板的前端及鉸接耳處等區(qū)域出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，故針對(duì)鏟板存在的不足，提出了如下幾點(diǎn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施：

1）在鏟板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將鏟板的左右兩側(cè)及中部前端等區(qū)域的材料厚度增加2~4 mm，并對(duì)較薄區(qū)域焊接加強(qiáng)筋，以提高鏟板的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

2）在鏟板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將鏟板的結(jié)構(gòu)材料由Q345材料改為屈服強(qiáng)度更高的45號(hào)鋼，使得鏟板結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度更高，提高其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度；

3）在鏟板生產(chǎn)后期，對(duì)其鉸接耳及其他關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行熱處理加工處理，經(jīng)過對(duì)材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)、淬火等工藝，提高其材料的強(qiáng)度及剛度；

4）在鏟板應(yīng)力集中區(qū)域的附近開設(shè)直徑為2 mm左右的圓孔，使得大部分集中應(yīng)力能轉(zhuǎn)移至小孔處，緩解結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證結(jié)構(gòu)的整體安全性能；

5）定期對(duì)鏟板薄弱部位進(jìn)行觀察維護(hù)，針對(duì)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)失效問題，及時(shí)對(duì)其進(jìn)行維修或更換。

5 結(jié)論

1）鏟板的左右兩側(cè)鏟板、中間主鏟板的前端及鉸接耳處等區(qū)域出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，是整個(gè)結(jié)構(gòu)上的薄弱部位

2）從材料、結(jié)構(gòu)尺寸、熱處理工藝等方面對(duì)鏟板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，以提高鏟板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、降低其結(jié)構(gòu)失效概率，提高其使用壽命。