掘進(jìn)機(jī)截割臂內(nèi)管強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計

曹占鑫

（西山煤電鎮(zhèn)城底礦， 山西 古交 030200）

引言

煤炭資源需求與日俱增，煤礦采掘工作量逐年加大，對掘進(jìn)設(shè)備可靠性要求越來越高[1-2]。掘進(jìn)機(jī)作為煤炭采掘生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其工作的安全可靠性不僅關(guān)系著作業(yè)人員的安全，還與煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)，現(xiàn)已引起了各界的廣泛關(guān)注[3]。懸臂式掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用較為廣泛，隨著煤炭產(chǎn)量的不斷增加，傳統(tǒng)組成部件承載能力有限，存在安全隱患，一旦某個零部件出現(xiàn)問題，將會導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)停機(jī)失效，影響企業(yè)煤炭產(chǎn)量和效率[4-6]。因此，針對某型號懸臂式掘進(jìn)機(jī)內(nèi)管為研究對象，開展強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

1 截割臂結(jié)構(gòu)組成及工作原理

目前，使用較為廣泛的掘進(jìn)機(jī)多為橫軸式掘進(jìn)機(jī)，其中截割機(jī)構(gòu)主要包括截割臂、截割頭、截割電機(jī)、截割減速器等，截割工作實現(xiàn)的動力來源于截割電機(jī)，經(jīng)過減速器實現(xiàn)降速增扭的效果，之后傳輸至截割頭驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。研究對象的掘進(jìn)機(jī)截割臂形式為可伸縮形式，電機(jī)和減速機(jī)法蘭連接為螺栓連接，伸縮油缸兩側(cè)耳環(huán)各自連接著減速器聯(lián)接法蘭和伸縮外筒。回轉(zhuǎn)臺與伸縮外筒相連，油缸伸縮驅(qū)動減速器連接法蘭動作，使電機(jī)運(yùn)動，油缸伸出推動內(nèi)管前移，相反，油缸收縮時減速器連接法蘭推動內(nèi)管后移，完成內(nèi)管和外筒之間的相互運(yùn)動。

2 有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

為了分析掘進(jìn)機(jī)截割臂內(nèi)管的實際工作情況，運(yùn)用SolidWorks 三維建模軟件完成了整個截割臂模型的建立，因整個截割臂的結(jié)構(gòu)尺寸極為復(fù)雜，連接部位的螺栓連接較多，為了提高模型建立的效率，對其進(jìn)行了一定的簡化處理，忽略了結(jié)構(gòu)件中的倒角、螺紋等特征。

2.2 材料屬性設(shè)置與網(wǎng)格劃分

查閱相關(guān)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)資料，確定了截割臂內(nèi)管制造材料為20 號鋼，具體的材料屬性如下：彈性模量數(shù)值為206 GPa，泊松比數(shù)值為0.25～0.3，屈服強(qiáng)度數(shù)值為245 MPa，抗拉強(qiáng)度數(shù)值為410 MPa。僅開展掘進(jìn)機(jī)截割臂內(nèi)筒的強(qiáng)度研究，將其余的結(jié)構(gòu)件全部設(shè)置為剛性。

2.3 載荷與約束施加

為了更好的對仿真分析進(jìn)行載荷施加和約束設(shè)置，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)截割臂實際工作環(huán)境及條件，確定截割臂工作時承受自身重力、回轉(zhuǎn)力矩、推進(jìn)力、橫向移動力、垂直移動力。通過受力分析確定了截割臂的自重為240 kN，回轉(zhuǎn)力矩最大值約為150 kN·m，推進(jìn)力最大值約為600 kN，橫向力最大值約為200 kN，垂直力最大值約為160 kN。有上述的受力分析結(jié)果可以看出，截割臂的推進(jìn)力最大，數(shù)值為600 kN，因此，仿真分析完成截割臂內(nèi)管最大推進(jìn)力工況下的強(qiáng)度分析，根據(jù)截割臂實際情況設(shè)置約束條件。

2.4 仿真結(jié)果

掘進(jìn)機(jī)截割臂三維模型建立完成之后，結(jié)合實際情況進(jìn)行了有限元仿真分析前處理工作，包括內(nèi)管模型材料屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分、載荷計算施加和約束條件設(shè)置等。之后啟動ANSYS 有限元仿真分析軟件內(nèi)部自帶的求解器進(jìn)行仿真計算，從仿真計算結(jié)果中提取截割臂內(nèi)管的等效應(yīng)力分布云圖，如下頁圖1 所示。

由下頁圖1 的仿真計算結(jié)果可以得出，內(nèi)管臂承載位置存在明顯的應(yīng)力集中情況，最大應(yīng)力數(shù)值為224 MPa，除此之外內(nèi)管的其他部位的應(yīng)力分布較小且較為均勻。最大應(yīng)力數(shù)值相較于內(nèi)管制備材料的屈服強(qiáng)度245 MPa 極為接近，通過計算得出內(nèi)管工作時的安全系數(shù)僅僅為1.094。因掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境及載荷情況較為復(fù)雜，較小的安全系數(shù)下極易出現(xiàn)內(nèi)管斷裂等情況，使掘進(jìn)機(jī)不能正常開展工作，降低煤炭企業(yè)的煤炭產(chǎn)量和效率。因此需要開展掘進(jìn)機(jī)截割臂內(nèi)管優(yōu)化設(shè)計工作，以提高截割臂內(nèi)管強(qiáng)度。

圖1 截割臂內(nèi)管的等效應(yīng)力（Pa）分布云圖

3 優(yōu)化設(shè)計

3.1 優(yōu)化方案

由掘進(jìn)機(jī)截割臂內(nèi)管有限元仿真分析結(jié)果可得，截割臂內(nèi)管承載位置應(yīng)力最大，與內(nèi)管制備材料的屈服強(qiáng)度較為接近，應(yīng)力集中情況明顯，復(fù)雜多變的應(yīng)力狀態(tài)下工作存在明顯的安全隱患，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。類似于截割臂內(nèi)管應(yīng)力集中情況優(yōu)化的方法較多，主要是應(yīng)用強(qiáng)度更好的制備材料、優(yōu)化現(xiàn)有制備材料的熱處理工藝參數(shù)、優(yōu)化截割臂內(nèi)管的結(jié)構(gòu)尺寸、改進(jìn)截割臂內(nèi)管局部尺寸等。綜合考慮，截割臂內(nèi)管的實際技術(shù)成熟度及改進(jìn)工作的難易程度，決定采用對截割臂內(nèi)管應(yīng)力集中的局部位置進(jìn)行優(yōu)化的方法。通過增加截割臂內(nèi)管的壁厚開展內(nèi)管的優(yōu)化設(shè)計，具體方法時在原來截割臂內(nèi)管壁厚的基礎(chǔ)上增加0.5 mm，以便改進(jìn)內(nèi)管局部應(yīng)力集中的最大應(yīng)力數(shù)值。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)確定的截割臂內(nèi)管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，修改截割臂內(nèi)管三維模型，之后另存為.igs 格式的文件，將其再次導(dǎo)入ANSYS 有限元仿真分析軟件進(jìn)行前處理，要求設(shè)置的各個參數(shù)數(shù)值均與未改進(jìn)相同。完成截割臂內(nèi)管前處理工作之后，啟動軟件自帶求解器進(jìn)行仿真計算。計算完成提取截割臂內(nèi)管等效應(yīng)力分布云圖，如圖2 所示。

由圖2 截割臂內(nèi)管等效應(yīng)力分布云圖可以看出，改進(jìn)之后的內(nèi)管最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置依然存在于承載位置，最大數(shù)值為189 MPa，相較于改進(jìn)之前的最大應(yīng)力降低了35 MPa，相較于內(nèi)管制備材料的屈服應(yīng)力，計算得出內(nèi)管承載位置安全系數(shù)約為1.3，取得了很好的優(yōu)化效果。

圖2 改進(jìn)截割臂內(nèi)管的等效應(yīng)力（Pa）分布云圖

4 應(yīng)用效果評價

為了驗證掘進(jìn)機(jī)截割臂內(nèi)管仿真計算結(jié)果的準(zhǔn)確性及其改進(jìn)效果，以仿真優(yōu)化之后的掘進(jìn)機(jī)截割臂內(nèi)管為基礎(chǔ)繪制工程圖紙并進(jìn)行加工制造，將制造完成的合格內(nèi)管應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)截割臂，對其進(jìn)行為期3 個月的跟蹤記錄。結(jié)果表明，改進(jìn)截割臂內(nèi)管工作穩(wěn)定，滿足掘進(jìn)機(jī)截割臂高強(qiáng)度工作的要求。統(tǒng)計結(jié)果顯示，相較于改進(jìn)之前，應(yīng)用改進(jìn)后的內(nèi)管，提高了掘進(jìn)機(jī)的可靠度，降低了近7%故障停機(jī)時間和近5%的運(yùn)行維護(hù)成本，減小了截割臂內(nèi)筒過早出現(xiàn)磨損的情況，節(jié)省了近3%的煤炭掘進(jìn)成本，預(yù)計為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益100 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

針對某型號懸臂式掘進(jìn)機(jī)內(nèi)管為研究對象，開展強(qiáng)度分析工作，結(jié)果表明，掘進(jìn)機(jī)截割臂內(nèi)管臂承載位置存在應(yīng)力集中情況。采用在原內(nèi)管管壁厚度基礎(chǔ)上增加0.5 mm 的措施完成內(nèi)管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明，內(nèi)部承載位置的應(yīng)用集中情況得到了改善。統(tǒng)計結(jié)果顯示，改進(jìn)后截割臂內(nèi)管的應(yīng)用，提高了掘進(jìn)機(jī)的可靠度，降低了近7%故障停機(jī)時間和近5%的運(yùn)行維護(hù)成本，減小了截割臂內(nèi)筒過早出現(xiàn)磨損的情況，節(jié)省了近3%的煤炭掘進(jìn)成本，為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益100 萬元/年。