楊 健

（晉能控股裝備制造集團有限公司寺河煤礦二號井， 山西 晉城 048000）

引言

煤炭資源作為人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活不可或缺的重要資源之一，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，需求量逐年增加, 相較于石油和天然氣等能源，我國煤炭儲量富足，在未來很長時間內(nèi)將處于不可替代的位置[1]。煤炭開采時的首要任務(wù)是巷道掘進，其掘進的時效性直接關(guān)系著煤礦井下采煤的產(chǎn)量和效率，目前煤炭巷道掘進工作主要采用掘進機完成，這就要求掘進機工作必須可靠，方能保證巷道掘進的快速高效[2-4]。眾所周知，掘進機工作環(huán)境極為惡劣，對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的機械性能要求較高，其中回轉(zhuǎn)油缸作為掘進機關(guān)鍵部件之一，負責(zé)截割頭的回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)掘進機的橫向截割功能[5]。一旦回轉(zhuǎn)油缸出現(xiàn)問題，將會導(dǎo)致掘進機故障停機，影響煤炭企業(yè)的產(chǎn)能和效率[6]。因此，針對某煤炭企業(yè)服役掘進機回轉(zhuǎn)油缸出現(xiàn)斷裂的問題，開展斷裂問題分析與改進研究具有重要意義。

1 掘進機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成及存在問題

掘進機作為煤礦巷道掘進的重要設(shè)備，由于綜采深度、地質(zhì)條件、開采環(huán)境等的不同，服役環(huán)境極為復(fù)雜。掘進機工作時若承受較大的沖擊，會引起掘進機的隨機波動，對其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的可靠性要求極高。圖1 給出了掘進機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成部件，包括截割頭、截割臂、回轉(zhuǎn)臺、升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸，其性能的好壞關(guān)乎整個掘進機的掘進速度。上述關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件必須具有足夠的靜強度和疲勞性能，因結(jié)構(gòu)設(shè)計方法較為保守，通常靜強度安全系數(shù)均在2.0 以上，重點關(guān)注的應(yīng)該是疲勞性能。某企業(yè)出現(xiàn)回轉(zhuǎn)油缸連接銷孔斷裂的問題，因此，為了提高掘進機的工作可靠性，有必要開展回轉(zhuǎn)油缸疲勞強度分析與改進工作。

圖1 掘進機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成

2 回轉(zhuǎn)油缸疲勞性能分析

2.1 疲勞的分類

疲勞是結(jié)構(gòu)件在不高于極限載荷工況下反復(fù)運行出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象。統(tǒng)計顯示，工程應(yīng)用過程中接近九成的結(jié)構(gòu)部件失效破壞是因疲勞導(dǎo)致的。疲勞失效包括高周疲勞破壞和低周疲勞破壞兩種，其中高周疲勞是指循環(huán)次數(shù)在104～109區(qū)間工作時出現(xiàn)的，所受載荷低于結(jié)構(gòu)件材質(zhì)的極限強度，結(jié)構(gòu)件應(yīng)力疲勞破壞多以高周疲勞方法計算；低周疲勞是指循環(huán)次數(shù)較低情況下出現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)件的塑性變形大多會與低周疲勞有關(guān)，是短疲勞壽命，通常應(yīng)變疲勞破壞多以低周疲勞方法計算。

2.2 疲勞分析工具

結(jié)構(gòu)件疲勞分析常用的工具為ANSYS Workbench 中的Fatigue Tool 模塊，屬于定制的疲勞快速分析工具，計算方法較為成熟，涉及應(yīng)力疲勞理論，綜合考慮了平均應(yīng)力、載荷條件與疲勞強度系數(shù)等因素，合理使用了線性累積損傷理論開展結(jié)構(gòu)疲勞性能分析計算，其中的載荷和疲勞失效的關(guān)系采用應(yīng)力-壽命曲線（S-N 曲線）表示。

2.3 疲勞分析

運用ANSYS Workbench 中自帶Fatigue Tool 模塊開展回轉(zhuǎn)油缸的疲勞強度分析，首先查閱機械工程材料性能數(shù)據(jù)，確定掘進機回轉(zhuǎn)油缸材料的S-N曲線。根據(jù)服役掘進機的設(shè)計資料及使用說明等材料得到回轉(zhuǎn)油缸缸體的材質(zhì)牌號為45 號鋼，伸縮活塞桿和銷軸連接位置的材質(zhì)牌號為40Cr。完成靜態(tài)分析之后插入Fatigue Tool 疲勞分析模塊，定義的載荷形式為History Data，加載方式為低-高-低，分析類型選擇應(yīng)力疲勞分析（Stress Life），設(shè)置Stress Component 為Equivalent（Von Mises）。完成回轉(zhuǎn)油缸疲勞分析前處理設(shè)置之后，即可啟動ANSYSWorkbench有限元仿真軟件自帶求解器，進行疲勞性能分析。

2.4 仿真結(jié)果

啟動ANSYS Workbench 有限元仿真軟件自帶求解器進行回轉(zhuǎn)油缸疲勞性能計算，提取回轉(zhuǎn)油缸疲勞分析結(jié)果，如圖2 所示為回轉(zhuǎn)油缸疲勞壽命分布云圖。

圖2 回轉(zhuǎn)油缸疲勞分布云圖

由圖2 可以看出，掘進機回轉(zhuǎn)油缸的最小疲勞壽命數(shù)值為65132 次應(yīng)力循環(huán)，出現(xiàn)最小疲勞壽命的位置在兩端銷軸孔位置，是回轉(zhuǎn)油缸疲勞強度較為薄弱的位置，與該煤炭企業(yè)掘進機回轉(zhuǎn)油缸出現(xiàn)疲勞破壞的位置和情況基本吻合，是其出現(xiàn)疲勞破壞的主要原因。

利用軟件仿真過程中載荷譜輸入的時間歷程周期是375000 次載荷循環(huán)，結(jié)合掘進機實際截割一個巷道斷面需要回轉(zhuǎn)油缸工作的實際時間280 s，掘進機的日工作時長為8 h，統(tǒng)計計算可以獲得掘進機回轉(zhuǎn)油缸疲勞應(yīng)力最大位置的壽命為3.47 年，這與掘進機回轉(zhuǎn)油缸軸孔位置出現(xiàn)疲勞破壞的時間基本一致。因此掘進機回轉(zhuǎn)油缸的改進工作應(yīng)該由回轉(zhuǎn)軸孔位置著手進行，方可提高回轉(zhuǎn)油缸整體的疲勞強度和壽命。

3 改進設(shè)計

由掘進機回轉(zhuǎn)油缸疲勞性能分析結(jié)果和壽命計算數(shù)據(jù)得到，其工作過程中回轉(zhuǎn)油缸兩端的銷軸連接位置存在疲勞壽命薄弱環(huán)節(jié)，其余油缸缸體和活塞桿的疲勞壽命足夠滿足掘進機正常工作的要求，因此，改進設(shè)計重點是兩端銷軸連接位置。相關(guān)結(jié)構(gòu)件優(yōu)化改進設(shè)計方法包括以下幾種：一是更換回轉(zhuǎn)油缸銷軸連接位置的材料，盡量選擇與銷軸材料一致，屈服強度較高的材料，此處銷軸材料牌號為35CrMo；二是在回轉(zhuǎn)油缸銷軸連接位置鍍層，耐磨高疲勞材料鍍層，類似材料較少，不易選擇；三是增加回轉(zhuǎn)油缸銷軸連接位置的結(jié)構(gòu)尺寸，該方法會增加回轉(zhuǎn)油缸的整體質(zhì)量，可能會影響銷軸的尺寸和使用慣量，不利于掘進機工作的穩(wěn)定性保證。此處選擇將回轉(zhuǎn)油缸銷軸連接位置更換成35CrMo 材料的方法進行改進設(shè)計。

4 驗證分析

為了驗證掘進機回轉(zhuǎn)油缸銷軸連接位置由原來的40Cr 改進成銷軸材料35CrMo 之后的疲勞性能，重新將改進之后的回轉(zhuǎn)油缸模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 有限元仿真計算軟件中進行仿真計算。提取改進回轉(zhuǎn)油缸疲勞壽命分布云圖發(fā)現(xiàn)，疲勞回轉(zhuǎn)油缸疲勞壽命較低的位置依然在銷軸連接位置，但是最小疲勞壽命數(shù)值為91410 次應(yīng)力循環(huán)，計算得出疲勞壽命數(shù)值為4.87 年，相較于改進之前，疲勞壽命數(shù)值提高了40%，可見改進效果極為明顯。將改進回轉(zhuǎn)油缸結(jié)構(gòu)進行加工制造之后應(yīng)用于某企業(yè)服役掘進機中試運行，結(jié)果表明，回轉(zhuǎn)油缸工作穩(wěn)定可靠，能滿足掘進機回轉(zhuǎn)功能的要求。

5 結(jié)論

回轉(zhuǎn)油缸作為掘進機關(guān)鍵組成結(jié)構(gòu)部件之一，其工作的可靠性直接關(guān)系著掘進機可否正常工作。針對某煤炭企業(yè)掘進機回轉(zhuǎn)油缸銷軸連接位置出現(xiàn)斷裂的問題，開展了斷裂問題分析與改進工作，結(jié)果表明，回轉(zhuǎn)油缸銷軸連接位置疲勞壽命較低是其出現(xiàn)斷裂問題的主要原因。采用將回轉(zhuǎn)油缸銷軸連接位置材料由原來的40Cr 換成35CrMo 的方法完成了改進，仿真結(jié)果顯示，回轉(zhuǎn)油缸銷軸連接位置的疲勞壽命提高了40%，改進效果明顯。實際應(yīng)用結(jié)果顯示，回轉(zhuǎn)油缸工作穩(wěn)定可靠，取得了很好的改進設(shè)計效果。