張偉峰

（霍州煤電集團李雅莊煤礦，山西 霍州 031400）

采煤機作為煤炭生產(chǎn)的關鍵裝備之一，其工作效率是影響煤礦產(chǎn)量及效率的最關鍵因素。導向滑靴為采煤機重要的零部件，導向滑靴滑行在銷軌上使采煤機沿工作面長度方向?qū)蛐凶?，也保持行走輪和銷軌的正常嚙合。導向滑靴和銷軌在上下、左右各方向都留有間隙，間隙的大小是按中部槽連續(xù)向一個方向上下彎曲3°或水平方向連續(xù)彎曲1°設計的。工作磨損以后，間隙還會增加，間隙太大會影響導向和嚙合，間隙太小會在導向滑靴通過彎曲段時卡死，造成導向滑靴損壞，影響采煤機的正常工作，進而影響煤礦開采效率。

1 采煤機導向滑靴失效分析

李雅莊煤礦屬霍州煤電生產(chǎn)礦井，各綜采工作面主要采用MG400/920-WD 型采煤機進行截割煤體，是一種大功率采煤機。采煤機在井下復雜環(huán)境工作過程中，導向滑靴部件會出現(xiàn)不同程度的磨損、消耗甚至無法正常使用的情況。通過對李雅莊煤礦MG400/920-WD 型采煤機在工作過程中的故障統(tǒng)計可知，導向滑靴故障占采煤機總故障的28%，占行走部故障的90%，故障比例非常高。導向滑靴故障導致失效的情況主要有：滑靴側壁斷裂、裂紋擴散、嚴重磨損，而滑靴斷裂是導向滑靴失效的主要表現(xiàn)形式。

統(tǒng)計結果表明，李雅莊煤礦MG400/920-WD 型采煤機導向滑靴故障的維修和更換難度較大，每次故障停機處理的時間為6 h 左右，嚴重影響到采煤機的工作時間和工作效率，必須對采煤機導向滑靴失效問題高度重視，并采取針對性的優(yōu)化措施[1-6]，保障采煤機的工作時間和工作效率。

2 采煤機導向滑靴強度分析

2.1 三維模型建立

結合MG400/920-WD 型采煤機導向滑靴結構尺寸，運用SolidWorks 三維建模軟件完成對導向滑靴三維模型。采用ANSYS Workbench 模塊對其進行有限元分析。

2.2 有限元模型的建立

將采煤機導向滑靴的三維模型導入ANSYS Workbench 有限元分析軟件中進行材料參數(shù)設置，進行工程仿真分析。該導向滑靴使用的是ZG35CrMnSi 低合金鑄造調(diào)質(zhì)鋼材料，材料密度7800 kg/m3，材彈性模量為200 GPa，抗拉強度980 MPa，泊松比為0.29，屈服強度為835 MPa。對該導向滑靴材料進行網(wǎng)格劃分，如圖1。

圖1 導向滑靴仿真計算模型示意圖

2.3 約束與載荷設置

根據(jù)MG400/920-WD 型采煤機前后導向滑靴實際工作情況可知，前導向滑靴在y方向上（垂直方向）的受力最大值為-164 kN，在z 方向上（踩踏側方向）的受力最大值為-130 kN；后導向滑靴在y方向上（垂直方向）的受力最大值為164 kN，在z 方向上（踩踏側方向）的受力最大值為270 kN。對前、后導向滑靴的銷軸孔施加完全約束，模擬其實際工作情況。

2.4 應用分析

啟動ANSYSworkbench 有限元分析軟件，對采煤機前、后導向滑靴強度分析，提取前后導向滑靴應力分布云圖如圖2、圖3。

圖2 前導向滑靴應力分布云圖（Pa）

圖3 后導向滑靴應力分布云圖（Pa）

從圖2 數(shù)據(jù)可知，采煤機前導向滑靴在踩空側處于銷軸孔的下半圓位置時工作中出現(xiàn)最大應力值為245.9 MPa，位于圖2 中的Max 位置處，最大應力值小于導向滑靴材料最大應力值490 MPa，能有效滿足前導向滑靴的工程要求。

從圖3 數(shù)據(jù)可知，采煤機后導向滑靴在煤壁側處于銷軸孔的下半圓位置時工作中出現(xiàn)最大應力值為527.8 MPa，位于圖3 中的Max 位置處，最大應力值大于導向滑靴材料最大應力值490 MPa，無法有效滿足后導向滑靴的工程要求，必須改進優(yōu)化。

3 采煤機后導向滑靴結構改進優(yōu)化設計

3.1 改進優(yōu)化方法分析

從采煤機導向滑靴強度分析可知，后導向滑靴在工作過程中應力集中明顯，超過ZG35CrMnSi 低合金鑄造調(diào)質(zhì)鋼材料的最大許用應力值，后導向滑靴在煤壁側的銷軸孔位置區(qū)域存在嚴重的斷裂隱患，需要針對性地進行改進優(yōu)化設計，提高采煤機后導向滑靴工作的安全性和可靠性。

基于采煤機后導向滑靴的實際應用情況，確定了改進優(yōu)化設計方案：（1）將銷軸孔耳板厚度尺寸在原基礎上增加15 mm；（2）將銷軸孔的倒角尺寸在原基礎上增加2 mm。

3.2 改進優(yōu)化結果分析

將銷軸孔耳板厚度和倒角尺寸大小改進優(yōu)化設計后的后導向滑靴按上述方法重新建立三維模型，并進行強度分析，應力分布云圖如圖4。

圖4 改進優(yōu)化設計后的后導向滑靴應力分布云圖（Pa）

從圖4 數(shù)據(jù)可知，改進優(yōu)化設計后的采煤機后導向滑靴在工作中出現(xiàn)的最大應力值為442.6 MPa，位于圖4 中的Max 位置處，比之前降低了85.2852 MPa。最大應力值小于導向滑靴材料最大應力值490 MPa，此時能有效滿足后導向滑靴的工程要求。采煤機后導向滑靴的改造優(yōu)化設計有效提高了后導向滑靴的結構強度，取得了預期效果。

4 應用效果分析

后導向滑靴按上述改進優(yōu)化設計方案進行加工制備后，在MG400/920-WD 型采煤機上進行了安裝調(diào)試，并投入到實際應用中。從2020 年10 月截至2021 年9 月，已對改進后的后導向滑靴在李雅莊煤礦MG400/920-WD 型采煤機中應用情況進行了長達一年的效果觀察。觀察結果表明：改進后的后導向滑靴在MG400/920-WD 型采煤機中的應用可靠穩(wěn)定，滿足采煤機截割煤體作業(yè)的要求；采煤機工作效率提高近12%；導向滑靴零部件的使用壽命提高2.5 倍；工作面停工時間降低22%。該項目的改造應用預計一年內(nèi)為煤礦創(chuàng)造經(jīng)濟效益約180 萬元。