李文飛

(山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 長子 046600)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，煤炭的需求量越來越大，使得煤炭開采的規(guī)模和深度逐年增加，對(duì)煤礦開采機(jī)械可靠性提出了更高的要求[1]。EBZ220型掘進(jìn)機(jī)作為煤炭開采過程中的重要設(shè)備，其應(yīng)用范圍越來越廣泛，不僅提高了煤礦開采效率，還提高了煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[2]。研究表明我國年巷道掘進(jìn)多達(dá)600多萬米，其中2/3由掘進(jìn)機(jī)完成，因此必須提高掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率和可靠性，使其更好地適應(yīng)礦井內(nèi)復(fù)雜的工作情況[3-4]。掘進(jìn)機(jī)服役條件極其惡劣，截割機(jī)構(gòu)受力情況較為復(fù)雜，工作載荷波動(dòng)范圍較大，這就增加了掘進(jìn)機(jī)所受動(dòng)載荷過大出現(xiàn)破壞[5]。截割臂作為掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分，結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性直接關(guān)系著掘進(jìn)機(jī)的工作穩(wěn)定性，尤其是伸縮外筒的強(qiáng)度和剛度[6]。因此對(duì)伸縮外筒進(jìn)行仿真分析，找出應(yīng)力集中位置，進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)于提高掘進(jìn)機(jī)的工作可靠性具有重要的意義。

1 截割臂結(jié)構(gòu)及工作原理

掘進(jìn)機(jī)包括兩種類型，即縱軸式和橫軸式，橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭旋轉(zhuǎn)的軸線垂直與之相連的懸臂軸線，能夠承受較大的煤礦截割阻力，保證足夠的截割能力，應(yīng)用較廣泛。橫軸式掘進(jìn)機(jī)主要由截割機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和噴霧除塵系統(tǒng)組成，其中截割機(jī)構(gòu)主要由工作臂、截割頭、截割電動(dòng)機(jī)、截割減速器和噴霧系統(tǒng)等組成。截割機(jī)構(gòu)工作時(shí)由交流電動(dòng)機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)扭矩，經(jīng)由聯(lián)軸器傳輸至減速器，驅(qū)動(dòng)截割頭旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)截割頭的旋轉(zhuǎn)截割。掘進(jìn)機(jī)截割臂可以借助伸縮油缸實(shí)現(xiàn)前后伸縮，其工作原理如下：電機(jī)與減速器法蘭之間為螺栓固定，伸縮油缸兩耳環(huán)分別連接減速器法蘭和伸縮外筒，伸縮外筒由后座板與回轉(zhuǎn)臺(tái)連接，當(dāng)油缸伸縮動(dòng)作時(shí)將會(huì)使減速器連接法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，油缸伸長的過程中電機(jī)向前推動(dòng)內(nèi)管向前運(yùn)動(dòng)，油缸收縮運(yùn)動(dòng)過程中減速器連接法蘭推動(dòng)內(nèi)管向后運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到內(nèi)管和外管之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

2 截割臂伸縮外筒有限元分析

2.1 幾何模型的建立

為了更真實(shí)的分析截割臂伸縮外筒的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，在幾何模型的建立過程中基于EBZ220型掘進(jìn)機(jī)完成了整個(gè)截割臂模型的繪制，軟件使用的是SolidWorks三維建模軟件，以此省掉ANSYS內(nèi)較為復(fù)雜的建模過程。將建立好的截割臂三維模型另存為.igs文件，導(dǎo)入ANSYS仿真分析軟件內(nèi)，為了提高仿真計(jì)算的效率，模型進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化處理，去掉了螺紋孔、無關(guān)倒角等。其中涉及的截割頭、銷軸和液壓缸用桿梁?jiǎn)卧娲虼嗽诮馗畋鄣娜S模型中不再體現(xiàn)。對(duì)截割臂三維模型各組件進(jìn)行材料屬性的設(shè)置，其中各個(gè)部件的材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所列。

表1 截割臂組件及材料力學(xué)性能

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的首要任務(wù)是進(jìn)行單元格類型的選擇，對(duì)于截割臂三維模型的單元類型選擇堅(jiān)持一下原則：幾何形狀簡(jiǎn)單的使用Solid45單元類型，包括伸縮內(nèi)管，軸套等；幾何形狀較為復(fù)雜的使用Solid92單元類型，包括減速器連接法蘭等。網(wǎng)格劃分還要控制網(wǎng)格疏密的程度，以提高仿真計(jì)算的效率，此處重點(diǎn)分析伸縮外筒，將其局部及與之相連的后座板進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化，結(jié)合了梁?jiǎn)卧蜅U單元分析技術(shù)，完成了截割臂的網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

圖1 截割臂網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 載荷施加

根據(jù)截割臂實(shí)際工作情況，確定了其自重約為235 kN，計(jì)算得到工作過程中最大的回轉(zhuǎn)力矩為150 kN·m，進(jìn)給時(shí)截割頭輸出的最大進(jìn)給力為600 kN，橫向移動(dòng)輸出的最大橫向力為200 kN，升降過程中輸出的最大垂直力為155 kN。此處僅針對(duì)截割臂橫向移動(dòng)時(shí)最大載荷對(duì)于整個(gè)截割臂伸縮外筒強(qiáng)度及剛度的影響情況。完成截割臂最大橫向載荷的施加之后即可啟動(dòng)ANSYS仿真計(jì)算軟件自帶的分析求解器進(jìn)行靜力學(xué)仿真計(jì)算。

2.4 仿真結(jié)果分析

仿真計(jì)算完成之后進(jìn)入結(jié)果分析環(huán)節(jié)，此處分析的重點(diǎn)是截割臂伸縮外筒的強(qiáng)度與剛度，強(qiáng)度分析依據(jù)Von-Mises屈服準(zhǔn)則得到的應(yīng)力分布云圖，剛度分析依據(jù)應(yīng)變分布云圖完成。此處需從截割臂的仿真計(jì)算結(jié)果中提取伸縮外筒的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖進(jìn)行分析，如圖2、3所示。

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

由圖2可以看出伸縮外筒的最大應(yīng)力值為457 MPa，存在應(yīng)力集中的問題，具體位置分布在升降油缸耳環(huán)附近的圓環(huán)與矩形的過渡位置。與伸縮外筒材料的屈服強(qiáng)度510 MPa對(duì)比可以看出二者較為接近，工作過程中一旦出現(xiàn)截割臂載荷的較大波動(dòng)就會(huì)增加伸縮外筒出現(xiàn)破壞的可能，威脅煤炭開采過程中相關(guān)人員和設(shè)備的安全，應(yīng)予高度重視。除此之外的其他位置的應(yīng)力均較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。由圖3可以看出伸縮外筒在全局坐標(biāo)系中的應(yīng)變最大值與最小值的差達(dá)到了7.1 mm，應(yīng)變值顯然是不能接受的，產(chǎn)生該問題的主要原因可能是外筒縱向長度較大，應(yīng)變累積效果較為明顯，需要進(jìn)一步改進(jìn)完善以提高伸縮外筒的剛度。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 改進(jìn)方案

目前改進(jìn)結(jié)構(gòu)件應(yīng)力集中問題的常用方法較多，如更換強(qiáng)度較高的合金材料，提高結(jié)構(gòu)件的整體強(qiáng)度；采用更加先進(jìn)的熱處理工藝，提高結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能均勻性；優(yōu)化外形尺寸，提高結(jié)構(gòu)件的承載能力等等。此處結(jié)合伸縮外筒的結(jié)構(gòu)、改進(jìn)的難以程度、改進(jìn)成本等問題，基于應(yīng)力集中位置的現(xiàn)狀，采用增大升降油缸耳環(huán)附近的圓環(huán)與矩形的過渡圓角的方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3.2 改進(jìn)結(jié)果

伸縮外筒改進(jìn)之后再次導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 改進(jìn)伸縮外筒應(yīng)力分布云圖

圖5 改進(jìn)伸縮外筒應(yīng)變分布云圖

由圖4可以看出，改進(jìn)之后的伸縮外筒升降油缸耳環(huán)附近的圓環(huán)與矩形的過渡位置的最大應(yīng)力為243 MPa，相較于未改進(jìn)之前的最大應(yīng)力457 MPa，足

足下降了214 MPa，大大提高了伸縮外筒的強(qiáng)度，可見伸縮外筒的改進(jìn)效果極為顯著。同時(shí)由圖5可以看出，改進(jìn)之后的伸縮外筒，在相對(duì)全局坐標(biāo)系下，最大應(yīng)變與最小應(yīng)變的差值為5.2 mm，相較于改進(jìn)之前的7.1 mm，降低了1.9 mm，對(duì)于提高伸縮外筒的剛度具有重要的意義。

將改進(jìn)之后的伸縮外筒應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)截割臂，大大提高了掘進(jìn)機(jī)承受水平載荷的能力，降低了變形等故障產(chǎn)生的可能，保證了掘進(jìn)機(jī)的可靠運(yùn)行。連續(xù)運(yùn)行的半年時(shí)間里，掘進(jìn)機(jī)截割臂未出現(xiàn)變形、開裂等故障，為企業(yè)創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 語

針對(duì)掘進(jìn)機(jī)可靠性要求越來越高的現(xiàn)狀，以EBZ220型掘進(jìn)機(jī)截割臂伸縮外筒為研究對(duì)象，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)其在最大水平載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，伸縮外筒的升降油缸耳環(huán)附近的圓環(huán)與矩形的過渡位置存在應(yīng)力集中問題。通過增加過渡位置的圓角半徑的方法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，結(jié)果表明，改進(jìn)之后的伸縮外筒的應(yīng)力集中問題得到了解決，最大應(yīng)力降低約47%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于伸縮外筒材料的屈服強(qiáng)度，大大提高了掘進(jìn)機(jī)截割臂的工作可靠性，實(shí)際應(yīng)用效果顯著。