張欣宇

（陽泉市大陽泉煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

引言

煤炭資源作為我國經(jīng)濟社會發(fā)展不可或缺的能源之一，需求量逐年增加，因此對采掘機械的強度要求也越來越高[1]。我國煤炭資源分布不集中，使得各地區(qū)煤層的地質(zhì)條件不盡相同，只有提高掘進機的工作能力才能適應較為復雜的煤層工況[2-4]。某型號掘進機因其較高的掘進效率、較低的能源消耗等優(yōu)勢取得了較為廣泛的應用，得到了煤炭行業(yè)的認可。掘進機的工作環(huán)境惡劣，受力狀況多變，工作沖擊載荷較大，加大了掘進機結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)破壞的可能[5]。截割臂作為直接截割煤層的關(guān)鍵部件，其工作的可靠性關(guān)系著整個掘進機能否安全穩(wěn)定運行，其中軸套的強度和剛度至關(guān)重要[6]。因此對截割臂軸套進行仿真分析，找出應力集中位置進行優(yōu)化改進具有重要的意義。

1 截割臂組成及工作原理

某型號掘進機為橫軸式掘進機，其組成部件包括截割機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、裝運機構(gòu)、行走機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，其中較為關(guān)鍵的截割機構(gòu)包括工作臂、截割頭、截割電動機、截割減速器等部件。截割機構(gòu)運行時的驅(qū)動扭矩來源于交流電動機，經(jīng)聯(lián)軸器傳輸至減速器進行降速增扭，之后驅(qū)動截割頭旋轉(zhuǎn)工作。掘進機截割臂工作時的位姿調(diào)整由伸縮缸伸出縮回動作實現(xiàn)，確保煤炭巷道截面的均勻掘進。當煤炭巷道截面煤炭采掘完畢，掘進機行走機構(gòu)前進，實現(xiàn)煤炭巷道深度方向的掘進，進而完成煤炭巷道掘進采煤。

2 截割臂軸套有限元分析

2.1 三維模型的建立

運用SolidWorks三維建模軟件完成整個截割臂的繪制，因?qū)嶋H的截割臂結(jié)構(gòu)較為復雜，對其三維模型進行了必要的簡化，省去了各個結(jié)構(gòu)部件之間的連接螺栓、各個部件本身的倒角、圓角以及不影響分析結(jié)果的螺栓孔等。

2.2 材料屬性設(shè)置

將建立完成的截割臂三維模型文件進行另存，保存成ANSYS仿真分析軟件可以直接倒入的.igs文件。在ANSYS仿真軟件中打開截割臂三維模型，對截割臂軸套進行材料屬性設(shè)置，其材料屬性參數(shù)如表1所示，截割臂其他組成部件的材料屬性設(shè)置剛性材料。

表1 截割臂軸套材料力學性能

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接關(guān)系著截割臂軸套仿真計算結(jié)果的準確性，不僅需要控制單元格類型，還要控制單元格的疏密程度。截割臂單元格類型選擇原則如下：結(jié)構(gòu)簡單的構(gòu)件選擇solid45單元，結(jié)構(gòu)相對復雜的選擇solid92單元；疏密程度設(shè)置時將重點分析對象軸套進行網(wǎng)格細化，以便提高仿真分析結(jié)果的準確性。

2.4 載荷施加

根據(jù)掘進機截割臂型號和工況，得到截割臂自重為235 kN，運行時回轉(zhuǎn)力矩最大值為150 kN·m，進給過程中截割臂輸出的最大推進力為600 kN，截割臂橫向移動時輸出的最大橫向力為200 kN，升降時輸出的最大垂直力為155 kN。此處重點分析截割臂橫向運動時軸套的強度，基于此完成截割臂載荷施加。

2.5 仿真結(jié)果分析

完成掘進機截割臂有限性仿真分析前處理之后啟動ANSYS仿真計算軟件自帶的分析求解器進行靜強度分析，由仿真分析結(jié)果中提取軸套的Von-Mises等效應力分布云圖，如圖1所示。

圖1 軸套應力（Pa）分布云圖

由圖2截割臂軸套應力分布云圖可以看出，軸套缺口邊角位置存在明顯的應力集中現(xiàn)象，最大應力值為154 MPa，除此之外的軸套其他位置的應力值較小，均未超過50 MPa且分布較為均勻。軸套材料型號為ZCuA110Fe3，屈服強度值為180 MPa，應力集中位置的最大應力與其極為接近，計算得到安全系數(shù)大小僅為1.16，工作過程中承受較大的沖擊載荷時，軸套邊角位置就存在出現(xiàn)損壞的危險。軸套工作過程中一旦出現(xiàn)損壞，極有可能導致截割臂喪失伸縮功能甚至卡死截割臂，影響掘進機的正常生產(chǎn)，嚴重時可能出現(xiàn)安全事故，給煤炭企業(yè)帶來不可估量的經(jīng)濟損失。

圖2 截割臂軸套應力集中位置

3 改進設(shè)計

3.1 改進方案

由截割臂靜強度分析結(jié)果得到軸套缺口邊角位置工作時存在損壞的可能，具體位置見圖2，為了提高其工作可靠性，必須進行改進設(shè)計。目前結(jié)構(gòu)件應力集中問題改進措施眾多，如增大結(jié)構(gòu)件尺寸、更換強度更好的材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)件熱處理工藝等。結(jié)合截割臂軸套應力集中現(xiàn)象、改進的技術(shù)難度和成本等情況，擬將截割臂軸套缺口減小2 mm，該改進方案既不影響截割臂的整體結(jié)構(gòu)尺寸，又不影響軸套的正常安裝使用，改進難度較小，具有很好的可行性。

3.2 改進結(jié)果

對改進之后的截割臂軸套進行三維模型的修改完善，之后重新導入ANSYS有限元仿真計算軟件進行前處理，參數(shù)設(shè)置過程和數(shù)值均與軸套改進之前一致，以便實現(xiàn)結(jié)構(gòu)改進前后的對比。啟動ANSYS仿真軟件自帶求解器進行改進軸套靜強度分析，提取改進軸套的Von-Mises等效應力分布云圖，如圖3所示。由圖3仿真分析結(jié)果可以看出，改進軸套的最大應力值為74 MPa，位置依然出現(xiàn)在軸套缺口邊角位置，結(jié)合材料的屈服強度值180 MPa計算得出改進軸套的安全系數(shù)為2.4，足以滿足截割臂的工作需要。

圖3 改進軸套應力（MPa）分布云圖

提取改進軸套的等效位移分布云圖，如圖4所示，由圖4可以看出，相對于全局坐標系，改進軸套的最大位移值為5.432 mm，最小位移值為4.55 mm，最大位移量與最小位移量之間的差值僅為0.9 mm。改進軸套工作過程中的位移量變化較小，足以滿足截割臂工作時的剛度要求，由此可見截割臂軸套改進有效，具有很好的工程實用性，保證了截割臂對于軸套的強度和剛度要求。

圖4 改進軸套位移（mm）分布云圖

4 應用效果評價

為了驗證截割臂改進設(shè)計的合理性和仿真計算結(jié)果的準確性，將改進截割臂軸套三維模型轉(zhuǎn)化為工程圖進行加工制造，之后將其應用于某型號截割機中進行應用。結(jié)果表明，改進軸套工作穩(wěn)定可靠，提高了掘進機承受水平載荷的能力。據(jù)統(tǒng)計，相較于原截割臂軸套結(jié)構(gòu)，改進軸套相同時間內(nèi)磨損量降低近10%，預計提高軸套8%~12%的使用壽命，減少了掘進機因軸套故障而導致的停機時間，取得了很好的應用效果。