EBZ220型礦用掘進(jìn)機(jī)截割臂伸縮外筒結(jié)構(gòu)可靠性分析

＊買明星

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)寺河礦 山西 048205）

引言

在我國(guó)，由于快速發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)，使需要的煤炭的數(shù)量不斷增大，因此提出提高開采煤礦可靠性的要求。煤礦開采時(shí)的主要設(shè)備就是EBZ220型掘進(jìn)機(jī)，EBZ220型掘進(jìn)機(jī)被廣泛的使用，使煤礦開采和煤炭企業(yè)的效率及經(jīng)濟(jì)效益得到提高。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在我國(guó)每年的掘進(jìn)的巷道長(zhǎng)達(dá)600萬米以上，這個(gè)巷道的完成有2/3的使用掘進(jìn)機(jī)，所以，使掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)的可靠性及效率得到提高是十分有必要的，使掘進(jìn)機(jī)能夠很好的在工作環(huán)境十分復(fù)雜的礦井中操作。掘進(jìn)機(jī)在非常差的條件下工作，截割機(jī)受到的作用力通常較復(fù)雜，工作載荷在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，這就增加了掘進(jìn)機(jī)所受動(dòng)載荷過大而出現(xiàn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。組成掘進(jìn)機(jī)最主要的部分就是截割臂，掘進(jìn)機(jī)能夠穩(wěn)定的工作由截割臂結(jié)構(gòu)是否具有穩(wěn)定及安全的特性決定，特別是具有強(qiáng)度及剛度特性的伸縮外筒。所以，分析和仿真伸縮外筒，尋找應(yīng)力所在的集中位置，這將有助于進(jìn)一步提高掘進(jìn)機(jī)工作的可靠性。

1.組成截割臂重要組成部分和依據(jù)的工作原理

掘進(jìn)機(jī)按類型分類包括兩類，其分別為橫軸式與縱軸式，截割頭旋轉(zhuǎn)軸線與懸臂軸線成90°角度的為橫軸式掘進(jìn)機(jī)，這種型式的掘進(jìn)頭可以承受巨大的煤礦截割反作用力，截割實(shí)力的充足得到了保障，并被廣泛的使用。橫軸式掘進(jìn)機(jī)由以下幾部分組成，裝運(yùn)單元、截割單元、液壓控制單元、回轉(zhuǎn)單元、行走單元、電氣系統(tǒng)和除煤塵噴水霧單元。截割單元組成包括噴霧系統(tǒng)、工作臂、截割減速器、截割電動(dòng)機(jī)及截割頭等。在截割單元運(yùn)行的時(shí)候驅(qū)動(dòng)扭矩由三相異步電動(dòng)機(jī)通過彈性聯(lián)軸器和變速箱（減速機(jī)）輸出到截割頭，從而帶動(dòng)截割頭旋轉(zhuǎn)。掘進(jìn)機(jī)通過伸縮油缸使截割臂實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)。它的工作機(jī)理為：用螺栓將電機(jī)與變速箱（減速機(jī)）法蘭連接在一起，伸縮外筒和變速箱（減速機(jī)）分別通過伸縮油缸兩耳與伸縮油缸相連?；剞D(zhuǎn)臺(tái)和伸縮外筒后座板連接在一起，電機(jī)運(yùn)動(dòng)是依靠減速機(jī)法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)的，而減速機(jī)法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)是依靠油缸伸縮驅(qū)動(dòng)的。內(nèi)管的向前運(yùn)動(dòng)是依靠油缸伸長(zhǎng)帶動(dòng)電機(jī)向前轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的，內(nèi)管的向后運(yùn)動(dòng)是依靠油缸收縮帶動(dòng)減速機(jī)法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的。從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)外管之間的相對(duì)位移進(jìn)而產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

2.有限元分析在截割臂外筒上的應(yīng)用

(1)幾何建模過程

為了更加有效的得到截割臂外筒的剛性和韌性，必須真實(shí)的分析外筒的應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)。在幾何建模過程中使用SolidWorks三維幾何建模軟件完整的繪制出了EBZ220型掘進(jìn)機(jī)截割臂的模型，為此大大簡(jiǎn)化了使用ANSYS建模過程，當(dāng)SolidWorks建模完成后保存為.jgs格式的文件，將保存好的模型文件導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行仿真。在仿真過程中除去螺紋孔和無關(guān)倒角，這樣做的目的是為了簡(jiǎn)化模型，提高仿真計(jì)算的目的。用桿梁?jiǎn)卧娼馗铑^中所包含的銷軸和液壓缸。為此在三維模型中不會(huì)再出現(xiàn)截割臂的這些部件。在三維建模中截割臂各個(gè)部件的材料和屬性必須在建模過程中進(jìn)行設(shè)置。

(2)網(wǎng)格劃分

選擇單元格的類型是網(wǎng)格劃分的第一步，為了選出更佳的單元格類型對(duì)于截割臂模型必須遵守下面幾個(gè)基本原則，對(duì)于簡(jiǎn)單的幾何形狀如軸套、伸縮內(nèi)管等，要使用Solid45單元類型，對(duì)于減速器連接法蘭等一些幾何外形復(fù)雜的部件使用Solid92單元。仿真計(jì)算的效果和網(wǎng)格的疏密程度有很大的關(guān)聯(lián)，在這主要是對(duì)伸縮外筒進(jìn)行分析，把網(wǎng)格更加細(xì)分的是部分和其相互連接的后座板，并和分析技術(shù)中的桿和梁?jiǎn)卧嗦?lián)合，對(duì)截割臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分得以實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 截割臂網(wǎng)格劃分結(jié)果

(3)施加載荷

在截割臂工作中的實(shí)際情況可知，截割臂自身的重量大約為235kN，通過計(jì)算可以得到150kN·m，為其在工作中的最大回轉(zhuǎn)扭矩，在截割工作過程中600kN和200kN分別為截割頭最大出力，和在橫向移動(dòng)過程中最大橫向出力，155kN為升降工作過程中在垂直方向上的最大出力，在此只對(duì)最大出力在截割臂向橫著的方向挪移的時(shí)候能夠影響的整體的截割臂伸縮外筒的應(yīng)力狀況。把最大橫向載荷作用于截割臂以后，開啟自身帶有分析求解器ANSYS軟件對(duì)截割臂的靜力學(xué)仿真計(jì)算。

(4)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析

在仿真計(jì)算技術(shù)以后，會(huì)對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析的，主要分析的是截割臂伸縮外筒的應(yīng)力狀況，如剛度和強(qiáng)度，對(duì)兩者進(jìn)行分析分別是按照應(yīng)力分布云圖和應(yīng)變分布云圖完成，應(yīng)力分布云圖的得出是根據(jù)Von-Mises屈服準(zhǔn)則。從其仿真結(jié)果內(nèi)把伸縮外筒的應(yīng)力應(yīng)變分布圖提取，并對(duì)其分布圖進(jìn)行分析，圖2，圖3就是應(yīng)力應(yīng)變分布云圖。

圖2 伸縮外筒應(yīng)力分布云圖

圖3 伸縮外筒應(yīng)變分布云圖

從圖2中得知，伸縮外筒的應(yīng)力最大值是457MPa，具有的問題是應(yīng)立集中，其分布的詳細(xì)的位置是升降油缸耳環(huán)周圍的圓形過渡成矩形的位置處。伸縮外筒的應(yīng)力值和其材料的屈服強(qiáng)度相互比較，發(fā)現(xiàn)其屈服強(qiáng)度為510MPa和應(yīng)力值相差不大，在工作時(shí)，若截割臂載荷一旦波動(dòng)比較大的時(shí)候就極易使伸縮外筒產(chǎn)生破壞，進(jìn)而會(huì)對(duì)在進(jìn)行開采煤炭的設(shè)備及有關(guān)的工作人員的安全帶來威脅，需要引起人們的重視。還有，應(yīng)力在別的地方都不高，比材料的屈服強(qiáng)度小很多。從圖3得知，全局坐標(biāo)系內(nèi)的伸縮外筒的應(yīng)變最大值比最小值的差值是7.1mm，造成這一問題最重要的因素也許為外筒在縱向的伸縮長(zhǎng)度比較小，應(yīng)變有顯著效果，所以就要更深入的研究改進(jìn)方法來使伸縮外筒的剛度升高。

3.改善設(shè)計(jì)

(1)改善方案

現(xiàn)在，有很多比較常見的方法能夠改善結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，比方使用的合金材料換成強(qiáng)度非常高的、熱處理的工作比較先進(jìn)、把外形的大小及尺寸進(jìn)行優(yōu)化等，其優(yōu)點(diǎn)分別是結(jié)構(gòu)件的全體強(qiáng)度、均勻的力學(xué)性能、承載能力等提高。并與其改進(jìn)成本、改進(jìn)的艱難和容易的水平、結(jié)構(gòu)等相結(jié)合，根據(jù)目前應(yīng)力集中地方的情況，改良的方法是使用升降油缸耳環(huán)周圍的圓環(huán)和矩形過渡位置處增加圓角半徑。

(2)其改進(jìn)的結(jié)果

在有限元分析軟件ANSYS內(nèi)導(dǎo)入被改進(jìn)的伸縮外筒，并分析及計(jì)算其應(yīng)力應(yīng)變。發(fā)現(xiàn)，伸縮外筒在進(jìn)行改進(jìn)以后，其升降油缸耳環(huán)周圍的圓環(huán)和矩形過渡位置處的應(yīng)力的最大值是243MPa，應(yīng)力的最大值和沒有改進(jìn)以前的比較共降低了214MPa，使伸縮外筒的強(qiáng)度得到了很大的提升，由此可知，對(duì)伸縮外筒進(jìn)行改進(jìn)的結(jié)果還是非常明顯的。在對(duì)伸縮外筒進(jìn)行改進(jìn)以后，在對(duì)應(yīng)整體坐標(biāo)系里，其應(yīng)變的最大值和最小值的差是5.2mm，和沒有改進(jìn)以前的數(shù)值相比較下降了1.9mm，使伸縮外筒的剛度提高的意義十分重大。

掘進(jìn)機(jī)截割臂使用的伸縮外筒是進(jìn)行改進(jìn)的，能夠使掘進(jìn)機(jī)的承載能力大幅度上升，使可能發(fā)生的故障如變形等的幾率下降，為掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行的可靠性提供了保障。持續(xù)運(yùn)行180天，掘進(jìn)機(jī)截割臂沒有發(fā)生以下故障，比如破裂、形變等，給企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)效益有所提升。

4.結(jié)束語

關(guān)于現(xiàn)在提高了掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行的可靠性的要求的狀況，并采用的研究對(duì)象是EBZ220型掘進(jìn)機(jī)截割臂伸縮外筒，借助ANSYS有限元分析軟件，分析了該型掘進(jìn)機(jī)截割臂伸縮外筒的應(yīng)力應(yīng)變情況，據(jù)分析結(jié)果可知，掘進(jìn)機(jī)伸縮外筒存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力主要集中于升降油缸耳環(huán)周圍的圓環(huán)與矩形過渡位置處，針對(duì)此情況，重點(diǎn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割臂伸縮外筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，其改進(jìn)的方法是過渡位置處的圓角半徑增加，經(jīng)改進(jìn)后的掘進(jìn)機(jī)伸縮外筒應(yīng)力集中區(qū)最大應(yīng)力可降低47%左右，比材料的屈服強(qiáng)度小很多，可使掘進(jìn)機(jī)伸縮外筒操作的可靠性明顯提高，在實(shí)際使用時(shí)有非常明顯的效果。