原權(quán)全

（華陽集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045405）

引言

掘進(jìn)機(jī)是綜采工作面內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備。掘進(jìn)機(jī)中服役條件極為苛刻的當(dāng)屬截割臂，既承受動(dòng)力設(shè)備的驅(qū)動(dòng)力作用[1-2]，又承受煤層截割反作用力，極易出現(xiàn)故障[3-4]。截割臂減速器連接法蘭作為截割臂動(dòng)力傳輸?shù)年P(guān)鍵部件，其可靠工作要求極高，也是最容易出現(xiàn)問題的結(jié)構(gòu)，如耳環(huán)斷裂破壞等[5-6]。因此針對某型號掘進(jìn)機(jī)截割臂減速器連接法蘭耳環(huán)出現(xiàn)斷裂問題，借助有限元仿真分析軟件，開展截割臂減速器連接法蘭強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

1 掘進(jìn)機(jī)工作原理及存在問題

某型號掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)形式為橫軸式，其結(jié)構(gòu)包括截割機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)等。截割結(jié)構(gòu)的主要任務(wù)是落煤，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主要任務(wù)是調(diào)整截割位姿狀態(tài)，裝運(yùn)機(jī)構(gòu)的主要任務(wù)是將截割下落的煤炭裝載運(yùn)出，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)煤炭截割工作的自動(dòng)控制。截割機(jī)構(gòu)還可以細(xì)分為截割頭、工作臂、電機(jī)、減速器等，工作時(shí)電機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)減速器之后作為截割頭的輸入動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)截割頭實(shí)現(xiàn)煤炭掘進(jìn)功能。掘進(jìn)機(jī)長時(shí)間使用時(shí)出現(xiàn)了截割臂減速器連接法蘭耳環(huán)斷裂，表現(xiàn)為開焊開裂現(xiàn)象，影響掘進(jìn)機(jī)的正常運(yùn)行。

2 有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

按照截割臂實(shí)際尺寸，運(yùn)用Pro/E 三維建模軟件完成了截割臂三維模型的建立工作。為了降低模型導(dǎo)入ANSYS 仿真計(jì)算軟件時(shí)出現(xiàn)問題的概率，建模時(shí)，在不影響仿真分析結(jié)果的前提下，對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了必要的簡化處理。

2.2 材料屬性設(shè)置和網(wǎng)格劃分

截割臂仿真模型材料屬性設(shè)置過程中除連接法蘭之外的結(jié)構(gòu)件全部設(shè)置為剛性，連接法蘭所用材料牌號為ZG35CrMo，材料屬性參數(shù)如下：彈性模量為206 GPa，泊松比為0.25～0.3，屈服強(qiáng)度為510 MPa，抗拉強(qiáng)度為740 MPa。完成材料屬性設(shè)置之后啟動(dòng)自由劃分網(wǎng)格功能，即可完成截割臂仿真模型網(wǎng)格劃分工作。

2.3 約束設(shè)置和載荷施加

結(jié)合掘進(jìn)機(jī)實(shí)際工作狀況得出截割臂自身質(zhì)量約為250 kg，計(jì)算得出掘進(jìn)工作時(shí)截割臂所受的最大推進(jìn)力為600 kN，工作時(shí)危險(xiǎn)性最大。截割臂仿真分析時(shí)僅對其施加推力載荷，根據(jù)截割臂與掘進(jìn)機(jī)實(shí)際連接情況進(jìn)行截割臂的約束設(shè)置。

2.4 仿真結(jié)果

借助ANSYS 仿真計(jì)算軟件完成截割臂減速器連接法蘭仿真分析前處理工作，包括材料屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分、約束設(shè)置、載荷施加等，之后即可開啟仿真軟件內(nèi)部求解器進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。計(jì)算結(jié)束選取截割臂減速器連接法蘭Von Mises 等效應(yīng)力分布云圖，如圖1 所示。

圖1 截割臂減速器連接法蘭等效應(yīng)力（Pa）分布云圖

由圖1 所示的截割臂減速器連接法蘭等效應(yīng)力分布云圖可以看出，工作過程中法蘭所受的最大應(yīng)力為486 MPa，位置處于法蘭右側(cè)耳環(huán)和減速器連接的位置，此處為焊接結(jié)構(gòu)，存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。截割臂減速器連接法蘭所用的材料牌號為ZG35CrMo，其屈服強(qiáng)度數(shù)值為510 MPa，其工作最大應(yīng)力486 MPa，雖然未超過屈服強(qiáng)度，但是十分接近，計(jì)算得出安全系數(shù)僅為1.05。因掘進(jìn)機(jī)截割臂工作條件較為惡劣，工作過程中隨著煤層厚度硬度等的變化，其承受的截割力變化范圍較大，因截割臂減速器連接法蘭的安全系數(shù)較低，一旦截割臂出現(xiàn)臨時(shí)過載，極有可能導(dǎo)致法蘭耳環(huán)斷裂，使煤炭掘進(jìn)工作面工作停滯甚至出現(xiàn)安全事故，給煤炭企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，有必要開展改進(jìn)優(yōu)化工作。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 改進(jìn)方案

常用結(jié)構(gòu)件應(yīng)力集中問題的改進(jìn)措施種類較多，如改進(jìn)結(jié)構(gòu)件的制備材料，提高結(jié)構(gòu)件整體的強(qiáng)度；優(yōu)化結(jié)構(gòu)件的尺寸參數(shù)，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度潛力；改進(jìn)結(jié)構(gòu)件的加工工藝，提高結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量；改進(jìn)結(jié)構(gòu)件應(yīng)力集中位置的尺寸，降低過渡截面突變程度。掘進(jìn)機(jī)截割臂減速器連接法蘭應(yīng)力集中的改進(jìn)方案需要考慮其實(shí)際工作情況、改進(jìn)工作量大小、改進(jìn)方案實(shí)施的難易程度等，綜合以上因素，掘進(jìn)機(jī)截割臂減速器連接法蘭采用優(yōu)化應(yīng)力集中位置尺寸的方案進(jìn)行改進(jìn)。具體實(shí)施方案是在原來法蘭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將耳環(huán)與減速器連接位置的過渡圓角半徑增大1 mm，實(shí)現(xiàn)連接位置的平滑過渡，以降低連接位置的應(yīng)力集中。

3.2 改進(jìn)結(jié)果

完成截割臂減速器連接法蘭耳環(huán)和減速器連接位置過渡圓角改進(jìn)之后修改法蘭三維模型，再次導(dǎo)入ANSYS 仿真計(jì)算軟件進(jìn)行前處理，要求處理過程及參數(shù)設(shè)置與改進(jìn)之前一致。啟動(dòng)仿真計(jì)算求解器，提取改進(jìn)之后截割臂減速器連接法的等效應(yīng)力分布云圖，如圖2 所示。由圖2 可以得出，截割臂減速器連接法蘭的最大接觸應(yīng)力為424 MPa，位置依然處在耳環(huán)和減速器連接位置。相較于法蘭結(jié)構(gòu)改進(jìn)之前，最大工作應(yīng)力降低了62 MPa。相較于法蘭結(jié)構(gòu)改進(jìn)之前，最大工作應(yīng)力降低了62 MPa。相較于法蘭材料的屈服強(qiáng)度，計(jì)算得出改進(jìn)之后的安全系數(shù)為1.2，足以滿足掘進(jìn)機(jī)截割臂減速器可靠工作的要求。

圖2 改進(jìn)截割臂減速器連接法蘭等效應(yīng)力（Pa）分布云圖

4 應(yīng)用效果評價(jià)

為了驗(yàn)證截割臂減速器連接法蘭改進(jìn)設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，將改進(jìn)之后的法蘭應(yīng)用于某型號掘進(jìn)機(jī)截割臂減速器之中，進(jìn)行了為期4 個(gè)月的跟蹤記錄。結(jié)構(gòu)表明，改進(jìn)后的截割臂減速器連接法蘭工作穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)耳環(huán)斷裂破壞故障。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，應(yīng)用改進(jìn)截割臂減速器連接法蘭之后，實(shí)現(xiàn)了截割臂減速器連接法蘭零故障的目標(biāo)，減少了近10%截割臂減速器連接法蘭運(yùn)行維護(hù)成本，提高了近8%的掘進(jìn)機(jī)使用時(shí)間，降低了煤炭掘進(jìn)成本，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近100 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

針對某型號掘進(jìn)機(jī)截割臂減速器連接法蘭耳環(huán)存在過載斷裂的問題，借助ANSYS 仿真計(jì)算軟件，開展了截割臂減速器連接法蘭強(qiáng)度分析工作，結(jié)果表明，法蘭耳環(huán)和減速器連接位置存在應(yīng)力集中是導(dǎo)致過載斷裂的主要原因。通過增大法蘭耳環(huán)和減速器連接位置的過渡圓角半徑，改善了應(yīng)力集中情況，最大應(yīng)力值降低了62 MPa。應(yīng)用結(jié)果表明，改進(jìn)法蘭之后未出現(xiàn)截割臂減速器連接法蘭故障，減少了近10%截割臂減速器連接法蘭運(yùn)行維護(hù)成本，提高了近8%的掘進(jìn)機(jī)使用時(shí)間，為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近100 萬元/年。