礦用掘進機截割部后座板靜力學分析及改進研究

王雪峰

（河曲縣應(yīng)急管理局，山西 忻州 036500）

引言

煤礦開采過程中需要利用掘進機對巷道進行開鑿，巷道開鑿的效果和效率均會對煤礦開采效率產(chǎn)生一定程度影響[1]。隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，對礦用掘進機的要求越來越高，目前掘進機正朝著智能化、高可靠性等方向發(fā)展[2]。截割部是掘進機中重要的機械結(jié)構(gòu)之一，其運行的穩(wěn)定性和可靠性會對掘進機整體性能產(chǎn)生重要影響[3]。掘進機工作時，截割部需要承受較大的工作載荷，且經(jīng)常面臨沖擊性載荷，惡劣的工況條件是截割部容易出現(xiàn)故障問題的原因[4]。工程實踐中截割部后座板容易出現(xiàn)故障問題，制約了掘進機運行效率的提升?；诖耍疚幕谟邢拊▽馗畈亢笞暹M行靜力學分析，并提出優(yōu)化改進方案，效果良好，對于提升掘進機的工作效率具有重要的實踐意義。

1 掘進機截割臂概述

以煤礦中使用的EBH360型掘進機為對象進行研究，設(shè)備整體規(guī)格尺寸為12.86 m×2.9 m×2.23 m，可以截割的范圍為5.95 m×8.7 m，整機質(zhì)量為120 t，正常工作時最大行進速度為7.9 m/min，可以適應(yīng)的最大巷道傾角為18°[5]。截割部是掘進機中的重要結(jié)構(gòu)件，主要利用截割頭對巷道圍巖進行開鑿截割，如圖1所示為掘進機截割部的主要結(jié)構(gòu)三維圖。由圖可知，截割部主要由截割頭、減速機、連接法蘭、伸縮臂、蓋板以及后座板等部分構(gòu)成。截割頭的尺寸為Φ1.25 m×0.8 m，正常工作時旋轉(zhuǎn)速度為23 r/min。后座板的主要作用是與回轉(zhuǎn)平臺進行連接，配合伸縮油缸實現(xiàn)截割部在上下方向上的移動。

2 后座板靜力學模型的建立

2.1 三維幾何模型

圖1 掘進機截割部的主要結(jié)構(gòu)三維圖

由于Ansys軟件的三維造型能力有限，所以建立有限元模型時，首先需要利用SolidWorks軟件根據(jù)EBH360掘進機截割部后座板的實際結(jié)構(gòu)尺寸建立三維幾何模型，并通過中間格式.igs導入到Ansys軟件中，進行后續(xù)模型的建立。三維建模時，為了提升模型的運算速度并確保最后收斂，需要對結(jié)構(gòu)中的一些細小結(jié)構(gòu)，比如倒角、倒圓、小孔等進行簡化處理[6]。

2.2 有限元模型

在Ansys軟件中需要對模型進行網(wǎng)格劃分，劃分質(zhì)量同樣會對模型計算過程和結(jié)果產(chǎn)生重要影響。Ansys軟件中提供了多種類型的網(wǎng)格單元，本案例中選擇的是四面體網(wǎng)格類型，并基于自動模式進行網(wǎng)格化，最終確定的單元數(shù)量和節(jié)點數(shù)量分別為9 324個和9 936個。

后座板的加工材料為ZG270-500，查閱材料手冊可知，該材料的彈性模量和泊松比分別為202 GPa和0.3，屈服強度和抗拉強度分別為270 MPa和500 MPa，將以上材料參數(shù)輸入到有限元模型中，確保模型計算結(jié)果的準確性。約束條件方面，考慮到后座板工作時通過銷軸與回轉(zhuǎn)平臺進行連接，只會發(fā)生繞耳座軸線的旋轉(zhuǎn)運動。因此將約束條件設(shè)置在耳朵部位，只能繞軸線方向作旋轉(zhuǎn)運動。

3 后座板靜力學分析結(jié)果

3.1 結(jié)果分析

在Ansys軟件中完成模型的分析計算工作后，即可利用后處理模塊對分析結(jié)果進行提取分析?？紤]到本文主要是對結(jié)構(gòu)的靜力學進行分析，因此只提取了后主板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖，結(jié)果如圖2所示，圖中不同顏色代表不同的應(yīng)力分布情況。

從圖2中可以明顯看出，后座板結(jié)構(gòu)工作時不同部位承受的應(yīng)力呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，絕大部分部位的應(yīng)力相對較小，最小值為124.5 MPa，達到了可以忽略不計的程度。應(yīng)力最大值達到了260 MPa，出現(xiàn)最大應(yīng)力值的部位為耳座部位，耳座的作用是通過銷軸實現(xiàn)與回轉(zhuǎn)平臺之間的連接。耳座結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大基本與現(xiàn)實情況吻合。

圖2 后座板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力（Pa）分布云圖

3.2 存在的問題

EBH360型掘進機截割部后座板的生產(chǎn)加工材料為ZG270-500，此型號材料的屈服強度為270 MPa。雖然后座板最大應(yīng)力值沒有超過材料的屈服強度，但是已經(jīng)非常接近。機械工程中結(jié)構(gòu)安全系數(shù)n=σb/σmax，其中n為安全系數(shù)，σb和σmax分別為材料的屈服強度和實際承受的最大應(yīng)力。根據(jù)上述安全系數(shù)的基本概念，可以計算得到后座板結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)值為1.04。工程實踐中為了保障機械結(jié)構(gòu)運行的可靠性，通常要求安全系數(shù)超過1.5。可見，截割部后座板的安全系數(shù)沒有達到機械工程中相關(guān)的規(guī)范標準。再加上后座板工作時承受的是周期性的工作載荷，偶爾還會承受沖擊載荷，所以出現(xiàn)應(yīng)力集中的耳座部位容易出現(xiàn)故障問題。

4 后座板結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進研究

4.1 優(yōu)化思路

基于上文分析可以看出，后座板最大應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在了與回轉(zhuǎn)平臺連接的耳座部位，所以需要對耳座結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。后座板運行時通過耳座實現(xiàn)力的傳遞，耳座部位受力面積過小是導致出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象的重要原因。可以采取措施適當增加耳座部位的受力面積。具體而言，采取優(yōu)化改進措施是在耳朵孔洞部位增加凸臺，以增加圓孔部位面積，從而增加耳座與銷軸的接觸面積。確保在總受力不變的情況下降低應(yīng)力。如圖3所示為后座板結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進方案示意圖。

圖3 后座板結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進方案示意圖

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

針對優(yōu)化改進后的方案，再次利用Ansys軟件建立有限元模型并進行靜力學分析。有限元模型中除耳座結(jié)構(gòu)尺寸不同外，其他結(jié)構(gòu)尺寸、材料和邊界條件設(shè)置完全相同。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的后座板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖的基本規(guī)律與優(yōu)化前基本類似，整體的受力呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，絕大部分位置的應(yīng)力較小，耳座結(jié)構(gòu)同樣出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力集中最大值降低到了175 MPa。如圖4所示為后座板結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后最大應(yīng)力值對比情況。

圖4 后座板結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后最大應(yīng)力值對比情況

由圖4可知，優(yōu)化后的后座板最大應(yīng)力值與優(yōu)化前相比較降低了85 MPa，降低幅度達到了32.69%，取得了很好的效果。更重要的是，優(yōu)化后的后座板結(jié)構(gòu)安全系數(shù)值提升到了1.54，達到了機械工程中的基本標準要求，能更好地保障后座板結(jié)構(gòu)運行過程的可靠性和安全性。

4.3 應(yīng)用效果分析

為了驗證上文所述結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的合理性，將此方案部署到EBH360掘進機工程實踐中。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試發(fā)現(xiàn)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)件能夠穩(wěn)定可靠運行，目前已經(jīng)在工程實踐中連續(xù)運行1年。經(jīng)現(xiàn)場技術(shù)人員反饋，通過對后座板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進，使結(jié)構(gòu)件的故障率降低了20%以上，極大提升了掘進機運行過程中穩(wěn)定性和可靠性，為煤礦開采效率的提升奠定了堅實基礎(chǔ)，為企業(yè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

以EBH360掘進機的后座板結(jié)構(gòu)為研究對象，利用Ansys軟件對靜力學進行分析，在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。所得結(jié)論主要有：靜力學分析結(jié)果表明，后座板耳座部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達到了260 MPa，對應(yīng)的安全系數(shù)只有1.04；針對耳座部位設(shè)置凸臺結(jié)構(gòu)，以增加耳座與銷軸的接觸面積，從而降低應(yīng)力集中現(xiàn)象；將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)再次利用ANSYS軟件建立有限元模型進行靜力學分析，發(fā)現(xiàn)本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化取得很好的效果，最大應(yīng)力值降低到了175 MPa，對應(yīng)的安全系數(shù)提升到了1.54，滿足機械工程中的基本要求；將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)部署到掘進機工程實踐中，使后座板結(jié)構(gòu)的故障率降低了20%以上，為掘進機的可靠運行奠定了良好的基礎(chǔ)。