懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割臂軸套結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及改進(jìn)研究

牛家興

（霍州煤電集團(tuán)河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 043300）

引言

目前，市面上存在一種工作效率較高、能源消耗較少的掘進(jìn)機(jī)，獲得了一致好評。由于要進(jìn)行持續(xù)不斷的工作并且煤層中存在著大量的雜質(zhì)，因此掘進(jìn)機(jī)承受的載荷較大并且會存在突變的情況，容易造成整個設(shè)備的零部件損毀。截割臂是掘進(jìn)機(jī)的重要零部件，其直接截割煤層，因此截割臂能夠正常工作對于掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定性有著重要影響；而軸套又是掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵零部件，需要保證軸套的強(qiáng)度和剛度。本文針對軸套性能的要求進(jìn)行仿真分析，目的在于找到軸套在工作過程中應(yīng)力最大處并對該處進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

1 截割臂組成及工作原理

本文分析的掘進(jìn)機(jī)屬于橫軸式掘進(jìn)機(jī)，主要零部件有截割機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)等，決定其性能的有工作臂、截割頭、截割電動機(jī)以及截割減速器等零部件。工作流程如下：交流電動機(jī)提供驅(qū)動扭矩，扭矩通過聯(lián)軸器和減速裝置傳遞至截割頭處，經(jīng)過降速增扭后帶動截割頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)截割。設(shè)備工作過程中位姿由氣缸進(jìn)行調(diào)整，保證開采速率。

2 截割臂軸套有限元分析

2.1 三維模型的建立

本文主要進(jìn)行應(yīng)力分析，采用Solid Works 搭建截割臂的三維模型。由于截割臂自身零部件較多，完全進(jìn)行三維模型的構(gòu)建較為復(fù)雜。分析過程難以進(jìn)行，在搭建過程中進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕糠纸Y(jié)構(gòu)用較為簡單的形式表示，比如非工作面上的連接件以及工作面上對結(jié)果基本無影響的倒角等結(jié)構(gòu)。

2.2 材料屬性設(shè)置

模型搭建完畢后保存為.igs 的形式，該形式的模型可以直接導(dǎo)入ANSYS 軟件中進(jìn)行仿真分析。進(jìn)行仿真首先要進(jìn)行材料的設(shè)置，本文要分析軸套的應(yīng)力因此將其余零部件設(shè)置為剛性材料即可，軸套的材料以及相關(guān)的參數(shù)如下表1 所示。

表1 軸套材料主要力學(xué)情況

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分對于仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性有著重要影響，選用適當(dāng)?shù)膯卧襁M(jìn)行劃分同時兼顧單元格的劃分程度。對于截割臂劃分單元格使用以下兩種：簡單的以及對結(jié)果影響較小的零部件采用solid45 單元，較為復(fù)雜的采用solid92 單元；單元格的疏密程度應(yīng)當(dāng)保證仿真結(jié)果的精度同時兼顧仿真計算過程的效率[1]。

2.4 載荷施加

查詢本文選用的掘進(jìn)設(shè)備的型號以及實際工作環(huán)境可得出如下參數(shù)：截割臂自重235 kN，工作過程中回轉(zhuǎn)力矩最大值150 kN·m，進(jìn)給過程中推進(jìn)力最大值600 kN，橫向移動時橫向力最大值200 kN，升降時垂直力最大值155 kN。由于軸套的損壞通常出現(xiàn)在橫向移動階段，因此選擇該階段進(jìn)行強(qiáng)度的分析，將上述參數(shù)施加于仿真模型之中。

2.5 仿真結(jié)果分析

完成模型導(dǎo)入、材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分以及參數(shù)設(shè)置后，使用ANSYS 仿真計算軟件進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，在仿真結(jié)果中可得軸套的Von-Mises 等效應(yīng)力分布云圖，具體結(jié)果圖如下頁圖1 所示。

圖1 軸套應(yīng)力分布云圖

截割臂軸套應(yīng)力集中于軸套的缺口處，其中最大值為264.73 MPa，非缺口處的應(yīng)力相對較小，基本處于50 MPa 以下，并且無應(yīng)力集中情況。根據(jù)軸套材料型號查的其屈服強(qiáng)度值為180 MPa，和缺口處的最大應(yīng)力相差較小，并且工作過程中要求的安全系數(shù)為1.16，加上惡劣環(huán)境中載荷的突然變化，缺口處存在損壞的風(fēng)險。軸套的損壞主要影響截割臂的伸縮功能，使得其無法再巷道中正常運(yùn)行甚至卡死，掘進(jìn)機(jī)也無法工作。增加煤礦開采的成本，嚴(yán)重時甚至?xí){工作人員的生命安全。

3 改進(jìn)設(shè)計

3.1 改進(jìn)方案

根據(jù)分析可知最容易出現(xiàn)損壞的地方是軸套的缺口處，為了保證其工作過程中的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。分析應(yīng)力集中的原因、改進(jìn)后的工作性能以及可行性，決定將截割臂軸套缺口減小2 mm 進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，這樣的改進(jìn)措施改進(jìn)難度較小、加工成本較低、能夠滿足改進(jìn)的需求，是一個可行的方案[2]。

3.2 改進(jìn)結(jié)果

對于模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后重新導(dǎo)入ANSYS 有限元仿真計算軟件之中，為了保證結(jié)果的真實性，參數(shù)設(shè)置和對照組保持一致，使得對比結(jié)果更加的真實可靠。進(jìn)行軸套靜強(qiáng)度分析，得出Von-Mises 等效應(yīng)力分布圖，如圖2 所示。根據(jù)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后雖然仍有應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)，但是最大應(yīng)力值降降低了，此時的安全系數(shù)為2.4，能夠滿足實際工作需求以及載荷的突變情況。

圖2 改進(jìn)軸套應(yīng)力分布云圖

分析改進(jìn)軸套的等效位移分布云圖，如圖3 所示，以空間坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，改進(jìn)后的軸套位移值如圖3 所示，二者的差值為0.9 mm。由此可知，改進(jìn)后的軸套工作過程中位移變化范圍較小，剛度較好，符合實際需求，改進(jìn)的效果十分顯著，不僅保證了強(qiáng)度、剛度的要求，也適應(yīng)了實際的工作環(huán)境。

圖3 改進(jìn)后的軸套位移分布云圖

4 應(yīng)用效果分析

為了驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性以及優(yōu)化方式的可行性，將優(yōu)化后的軸套畫出工程圖聯(lián)系廠家進(jìn)行加工，將加工好的零件放入該型號的截割機(jī)中進(jìn)行使用。將使用效果和安裝有原油軸套的截割臂進(jìn)行對比。根據(jù)對比結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的軸套顯著提高了截割臂的使用壽命以及工作穩(wěn)定性。通過數(shù)據(jù)分析可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)磨損量減小10%左右，軸套壽命提升10%左右，并且工作過程中因為載荷的突變導(dǎo)致故障的情況顯著減少，進(jìn)一步提升了掘進(jìn)機(jī)的工作效率。