白曉棟

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司機(jī)掘三隊(duì)， 山西 大同 037000）

引言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦開采中非常重要的機(jī)電裝備，截割部是掘進(jìn)機(jī)中的重要組成部分，而伸縮臂是截割部中重要的承力結(jié)構(gòu)件。煤礦開采環(huán)境復(fù)雜，掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)承受較大的沖擊載荷，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生明顯的振動(dòng)，進(jìn)而影響伸縮臂運(yùn)行的穩(wěn)定性。伸縮臂中包含有軸套結(jié)構(gòu)，工作時(shí)需要承受一定的應(yīng)力載荷，且呈現(xiàn)出周期性的特點(diǎn)，所以容易出現(xiàn)缺陷問題?；诖耍斜匾獙?duì)伸縮臂中的軸套結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析，并基于分析結(jié)果提出優(yōu)化改進(jìn)措施，以提升軸套結(jié)構(gòu)的使用壽命，為整個(gè)截割部的穩(wěn)定運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文以EBH360 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為例，對(duì)截割部伸縮臂中的軸套結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析和優(yōu)化改進(jìn)，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 截割部伸縮臂概述

以EBH360 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象。掘進(jìn)機(jī)內(nèi)部包含很多結(jié)構(gòu)件和機(jī)電系統(tǒng)，其中截割部是掘進(jìn)機(jī)中非常重要和關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件，掘進(jìn)機(jī)主要利用截割部對(duì)煤巖進(jìn)行截割以獲得煤塊。截割部內(nèi)部也包含有很多個(gè)結(jié)構(gòu)件，比如截割頭、截割電機(jī)、減速器、伸縮臂、蓋板以及后連接座等。掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)需要利用回轉(zhuǎn)平臺(tái)對(duì)截割部的位置進(jìn)行調(diào)整，截割部內(nèi)部也設(shè)置有伸縮臂，作用是配合回轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)截割臂角度和位置的精確調(diào)整，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境，根據(jù)實(shí)際需要將截割頭控制到指定的位置，工作過程中會(huì)承受周期性的較高的載荷。

如圖1 所示為截割部伸縮臂的截面示意圖。由圖1 示意圖可以看出，軸套的作用是實(shí)現(xiàn)不同零件之間的相對(duì)滑動(dòng)，所以其在工作時(shí)會(huì)與其他零件之間發(fā)生擠壓作用并產(chǎn)生很大的摩擦力，特別容易產(chǎn)生應(yīng)力集中問題，導(dǎo)致軸套發(fā)生損傷破壞，縮短軸套結(jié)構(gòu)件的使用壽命。

圖1 截割部伸縮臂的截面示意圖

2 伸縮臂的有限元模型

2.1 三維幾何建模

利用Pro/E 軟件建立伸縮臂的三維幾何模型，對(duì)伸縮臂內(nèi)的軸套結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。建模過程中對(duì)結(jié)構(gòu)中很小的倒角、倒圓及螺紋孔等作簡化處理，此舉能在不影響最終計(jì)算結(jié)果的前提下提升建模效率、縮短模型計(jì)算時(shí)間。完成三維幾何建模工作后，需要將其導(dǎo)出為.igs格式，以便導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行后續(xù)建模。

2.2 有限元建模

在Ansys 軟件中需要對(duì)幾何模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分?？紤]到本研究重點(diǎn)需要對(duì)軸套進(jìn)行分析，所以采用非均勻化網(wǎng)格劃分方式。對(duì)軸套結(jié)構(gòu)采用較細(xì)小的網(wǎng)格，對(duì)其他結(jié)構(gòu)件采用較粗大的網(wǎng)格，這樣既確保獲得較精確的結(jié)果，又縮短了模型計(jì)算時(shí)間。最終劃分得到的網(wǎng)格單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為23 249 和26 939 個(gè)。之后進(jìn)行材料屬性設(shè)置，軸套使用的材料為ZCuAl10Fe3，對(duì)應(yīng)的楊氏模量和泊松比分別為103 GPa 和0.3，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為180 MPa 和490 MPa；伸縮外筒和法蘭的材料為ZG35CrMo，其彈性模量、泊松比和屈服強(qiáng)度分別為206 GPa、0.3 和510 MPa；后座板的材料為ZG270-500，彈性模量、泊松比和屈服強(qiáng)度分別為202 GPa、0.3 和270 MPa。在邊界條件方面，將伸縮臂的整體質(zhì)量設(shè)置為232.884 kN，回轉(zhuǎn)力矩、進(jìn)給力和橫向力大小分別設(shè)置為149.48 kN·m、600 kN 和197.39 kN，讓伸縮臂處于水平狀態(tài)。如圖2 所示為伸縮臂整體的有限元模型。

圖2 伸縮臂整體的有限元模型

3 軸套的受力結(jié)果分析與討論

3.1 受力結(jié)果分析

在ANSYS 軟件中建立好掘進(jìn)機(jī)截割部伸縮臂的有限元模型以后，即可對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算分析，然后提取計(jì)算結(jié)果。由于本研究只關(guān)注伸縮臂中軸套的受力情況，因此只提取了軸套的分析結(jié)果，如圖3 所示為伸縮臂軸套的應(yīng)力分布云圖，描述的是軸套在工作過程中不同部位的受力情況。由圖3 可知，軸套工作時(shí)不同部位的受力情況呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，絕大部分部位承受的作用力相對(duì)較小，均在50 MPa 以下。只有很小一部分區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，且應(yīng)力集中現(xiàn)象非常顯著，出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置主要集中在缺口邊角，應(yīng)力集中的最大值為154 MPa。

圖3 伸縮臂軸套的受力（Pa）結(jié)果

3.2 存在的問題探討

一般情況下軸套的生產(chǎn)制作材料為ZcuAl10Fe3，此材料的屈服強(qiáng)度大小為180 MPa。根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)件工作時(shí)的安全系數(shù)計(jì)算公式：

式中：n 為安全系數(shù)；σs和σ 分別為金屬材料的屈服強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)件工作時(shí)承受的最大應(yīng)力值?；诖丝梢杂?jì)算得到伸縮臂軸套在工作時(shí)的安全系數(shù)只有1.16。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)中的基本要求，對(duì)于軸套這種比較關(guān)鍵的零部件，安全系數(shù)通常需要在1.5 以上。實(shí)際安全系數(shù)相對(duì)偏小，再加上軸套工作時(shí)需要承受周期性的載荷，容易發(fā)生疲勞損傷，最終出現(xiàn)裂紋。綜上，伸縮臂軸套工作時(shí)在缺口邊角部位容易出現(xiàn)缺陷問題，影響伸縮臂整體運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

4 軸套優(yōu)化改進(jìn)方案及效果分析

4.1 優(yōu)化改進(jìn)方案

基于以上分析可知伸縮臂軸套工作時(shí)缺口邊角部位容易出現(xiàn)缺陷問題，需要對(duì)該位置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。缺口邊角部位出現(xiàn)應(yīng)力集中的原因在于此部位處于懸臂狀態(tài)?？梢越Y(jié)合實(shí)際情況取消軸套的開口設(shè)計(jì)，將其設(shè)計(jì)成一個(gè)完整圓形。

4.2 優(yōu)化后的受力分析

根據(jù)優(yōu)化改進(jìn)后的軸套結(jié)構(gòu)尺寸，再次利用ANSYS 軟件建立伸縮臂整體的有限元模型，建模過程中所有其他的參數(shù)均與原模型完全相同。完成計(jì)算工作后可以提取得到軸套結(jié)構(gòu)的受力分布結(jié)果。如圖4 所示為優(yōu)化改進(jìn)后伸縮臂軸套的應(yīng)力分布云圖。由圖4可知，軸套的應(yīng)力分布整體上呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，只有局部位置出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，絕大部分位置的應(yīng)力值相對(duì)較小，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在軸套邊部位置，只有74.6 MPa。與優(yōu)化改進(jìn)前軸套的最大應(yīng)力值相比較而言，降低幅度達(dá)到了51.56%。根據(jù)相關(guān)理論可以計(jì)算得到優(yōu)化改進(jìn)后軸套的安全系數(shù)值，結(jié)果為2.4，意味著軸套結(jié)構(gòu)在正常工作時(shí)具有很高的安全系數(shù)，可以保障運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖4 優(yōu)化后軸套的受力（Pa）結(jié)果

將優(yōu)化改進(jìn)后的軸套結(jié)構(gòu)部署到EBH360 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)工程實(shí)踐中，經(jīng)過長時(shí)間的現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)軸套結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行，驗(yàn)證了優(yōu)化改進(jìn)方案的科學(xué)性與合理性。初步分析認(rèn)為，通過對(duì)軸套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，能使結(jié)構(gòu)件的使用壽命提升15%以上，為懸臂式掘進(jìn)機(jī)的整體穩(wěn)定運(yùn)行奠定了良好的基礎(chǔ)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

以EBH360 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為對(duì)象，利用Pro/E和ANSYS 軟件建立了伸縮臂的有限元模型，在對(duì)其受力情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。受力分析發(fā)現(xiàn)軸套結(jié)構(gòu)在缺口邊角部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達(dá)到了154 MPa。使得結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)只有1.16，低于行業(yè)規(guī)范要求的1.5 以上?；诖藢⑤S套的開口設(shè)計(jì)修改成為封閉結(jié)構(gòu)，再次進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值降低到了74.6 MPa，降低幅度達(dá)到了51.56%，安全系數(shù)值提升到了2.4。將優(yōu)化后的軸套結(jié)構(gòu)部署到掘進(jìn)機(jī)工程實(shí)踐中，使得軸套結(jié)構(gòu)的使用壽命提升了15%以上，為相關(guān)企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。