韓 將

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037000）

引言

煤炭資源是我國(guó)主要的能源之一，推動(dòng)著我國(guó)經(jīng)濟(jì)及技術(shù)的快速發(fā)展。為提高對(duì)煤礦的開(kāi)采量及效率，各類(lèi)煤礦開(kāi)采設(shè)備被廣泛應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域。礦用掘進(jìn)機(jī)作為煤礦開(kāi)采中的關(guān)鍵設(shè)備，保證其設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)具有較高的結(jié)構(gòu)性能至關(guān)重要，而EBZ260型掘進(jìn)機(jī)則是煤礦中應(yīng)用較為普遍的設(shè)備[1]。由于井下環(huán)境的惡劣性，煤礦開(kāi)采中經(jīng)常會(huì)遇到不同硬度的煤層硬度，加上外界會(huì)有落煤沖擊掘進(jìn)機(jī)，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)中的切割部結(jié)構(gòu)在使用中極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)局部開(kāi)裂及斷裂現(xiàn)象。一旦切割部出現(xiàn)了失效現(xiàn)象，將導(dǎo)致整個(gè)掘進(jìn)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，加上單個(gè)井下開(kāi)采作業(yè)屬于一條產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，這將使得整個(gè)井下的煤礦開(kāi)采出現(xiàn)癱瘓現(xiàn)象，這將嚴(yán)重影響著煤礦的開(kāi)采量及效率[2]。掌握掘進(jìn)機(jī)中切割部在使用過(guò)程中的薄弱部位，提高其結(jié)構(gòu)性能顯示十分必要。為此，在分析EBZ260掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，利用ABAQUS 軟件開(kāi)展了掘進(jìn)機(jī)中切割部的結(jié)構(gòu)性能研究，并提出了切割部的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，這對(duì)提高掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)效率及安全性具有重要意義。

1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

掘進(jìn)機(jī)作為煤礦開(kāi)采中的重要設(shè)備，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的布局方式不同，可將其分為橫軸式和縱軸式類(lèi)型，根據(jù)巷道中單軸的抗壓強(qiáng)度的不同，可將其分為半煤巖和硬巖型掘進(jìn)機(jī)，但其結(jié)構(gòu)組成基本相同[3]。EBZ260型掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)主要由切割部、行走部、主體、回轉(zhuǎn)臺(tái)、截割頭、裝運(yùn)部、后支撐部、水路系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等幾大部分組成。與傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)相比，該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)的最大高度不超過(guò)1.5 m，其機(jī)身相對(duì)較矮，能實(shí)現(xiàn)對(duì)井下1.8 m的巷道條件的煤礦掘進(jìn)作業(yè)，有效提高了出煤質(zhì)量及掘進(jìn)效率[4]。

切割部作為該型號(hào)中的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量達(dá)到了6.5 t，升降油缸的工作壓力最大在22 MPa 范圍內(nèi)，升降油缸直徑在180 mm 范圍內(nèi)，工作行程可達(dá)到450 mm，主要負(fù)責(zé)對(duì)工作面中的破落煤巖作用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括了切割頭、切割臂、減速機(jī)、工作臂等部件，具有單刀工作力大，切割穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[5]，主要利用160 kW的切割電機(jī)和二級(jí)行星傳動(dòng)方式進(jìn)行切割。但由于井下環(huán)境的惡劣性，導(dǎo)致切割部在使用過(guò)程中出現(xiàn)了局部區(qū)域變形、局部開(kāi)裂及斷裂等失效現(xiàn)象，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度存在一定的薄弱區(qū)域。因此，掌握切割部的受力變化規(guī)律，找到其結(jié)構(gòu)的薄弱部位，有針對(duì)性地開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)顯得十分必要。

2 掘進(jìn)機(jī)切割部模型建立

2.1 三維模型

采用PROE 軟件，對(duì)切割部進(jìn)行了三維模型建立。在軟件中，主要切割部中減速機(jī)軸承座、減速機(jī)臂、切割臂、液壓油缸等部件進(jìn)行了模型建立，并對(duì)模型中所涉及到的圓角、倒角、較小圓孔等非關(guān)鍵特征進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，連接螺栓及銷(xiāo)軸等進(jìn)行了部件省略，僅保留了切割部上的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及特征，以提高切割部的分析精度及速度，其三維模型如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)切割部三維模型

2.2 仿真模型

結(jié)合建立的切割部三維模型，將其保存為x-t 格式后，導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，對(duì)其進(jìn)行了仿真模型建立。由于切割部在實(shí)際使用中主要采用了Q345材料，故在軟件中，將切割部的材料屬性賦予了Q345 材料[6]，其材料的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。同時(shí)，對(duì)切割部中各部件之間接觸設(shè)置為無(wú)穿透式接觸設(shè)置。根據(jù)切割部的結(jié)構(gòu)尺寸，采用了實(shí)體單元模型，四面體網(wǎng)格類(lèi)型，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為15 mm，局部區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密，劃分后的單元數(shù)量為652 456 個(gè)，如圖2 所示。另外，對(duì)模型中減速器軸承座上施加了32 220 N·m 扭矩，并對(duì)切割臂質(zhì)心處設(shè)置向下的65 kN的向下載荷，以模擬切割臂的實(shí)際受力情況。

表1 Q345 材料關(guān)鍵參數(shù)

圖2 掘進(jìn)機(jī)切割部網(wǎng)格劃分圖

3 采煤機(jī)切割部結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 切割部應(yīng)力變化

結(jié)合前文分析，得到了切割部應(yīng)力變化圖，如圖3 所示。由圖可知，整個(gè)切割部整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，部分區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中情況，最大應(yīng)力主要集中在切割部的減速箱臂體及減速箱的軸承座靠中間區(qū)域，減速箱上的支撐座、前端套環(huán)、底部套環(huán)等區(qū)域也出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，切割臂上其余區(qū)域的受力則相對(duì)較小。分析其原因：切割部在受到較大扭矩及向下載荷后，由于在其底部受到支撐作用，加上受彎矩作業(yè)，致使了整個(gè)結(jié)構(gòu)上的較大應(yīng)力分布區(qū)域較大，切割臂上的減速箱軸承座及臂體成為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在受到超負(fù)荷作業(yè)時(shí)，則極容易使得整個(gè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，嚴(yán)重影響切割部的結(jié)構(gòu)性能。因此，需對(duì)切割部進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

圖3 切割部受力狀態(tài)下的應(yīng)力變化圖

3.2 切割部結(jié)構(gòu)位移變化

結(jié)合所建立的切割部分析模型，得到了其結(jié)構(gòu)的位移變化圖，如圖4 所示。由圖可知，切割不整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，在切割部前端套環(huán)、中間安裝盤(pán)、底部套環(huán)及減速箱上的支撐座等區(qū)域均出現(xiàn)了較大程度的結(jié)構(gòu)變形，沿著減速箱軸承座方向，切割部的變形量呈逐漸減少趨勢(shì)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)較為明顯且均勻變化。分析其原因?yàn)椋呵懈畈壳岸擞捎谑艿矫簩拥妮^大沖擊力作用，加上外部其他方向的載荷沖擊及自身結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，導(dǎo)致切割部整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象。切割部減速箱上底部套環(huán)及支撐座在使用中極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或失效現(xiàn)象，成為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，有必要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

圖4 切割不使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變形圖

4 切割部結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

結(jié)合前文分析，得出切割部上減速箱中的前端套環(huán)、支撐座及后端的軸承座均是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在嚴(yán)峻作業(yè)條件下極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。故有必要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，具體如下：

1）提高切割部的材料屬性?？蓪⑵洳牧显O(shè)計(jì)為屈服強(qiáng)度更高的材料，如Q460 材料，可使其材料的屈服強(qiáng)度由345 MPa 提高至460 MPa，以提高其材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及性能；

2）修改結(jié)構(gòu)尺寸。在尺寸運(yùn)行條件下，將前端套環(huán)厚度增加2 mm，支撐座結(jié)構(gòu)加大，后端的軸承座直徑加大，以從結(jié)構(gòu)角度增加切割部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

3）熱處理工藝改進(jìn)。在軸承座、支撐座及前端套環(huán)加工生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)、淬火的熱處理加工，以提高此些區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低結(jié)構(gòu)發(fā)生失效概率；

4）針對(duì)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的較大應(yīng)力區(qū)域，在非受力部位開(kāi)設(shè)直徑2 mm的圓孔，使得結(jié)構(gòu)上集中的大部分應(yīng)力能轉(zhuǎn)移至小孔處，保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力均勻性，減少結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

5）定期對(duì)切割部在使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變形等失效情況進(jìn)行觀察分析，保證軸承座上的潤(rùn)滑效果，針對(duì)出現(xiàn)的失效問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行故障排除，以提高切割部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低失效概率。

5 結(jié)論

1）切割部的后端軸承座、前端減速箱上支撐座出現(xiàn)了較大應(yīng)力集中現(xiàn)象，是整個(gè)結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象；

2）切割部前端套環(huán)、減速箱上支撐座等等區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極易發(fā)生結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形現(xiàn)象；

3）從材料屬性、結(jié)構(gòu)尺寸、熱處理工藝、應(yīng)力有針對(duì)性的開(kāi)采切割部的結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化，這對(duì)切割部的綜合性能具有重要作用；

4）該研究對(duì)掌握切割部的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，提高切割部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及使用壽命具有重要作用。