王雪峰

（河曲縣應(yīng)急管理局，山西 忻州 036500）

引言

煤礦開(kāi)采過(guò)程中需要利用掘進(jìn)機(jī)對(duì)巷道進(jìn)行開(kāi)鑿，巷道開(kāi)鑿的效果和效率均會(huì)對(duì)煤礦開(kāi)采效率產(chǎn)生一定程度影響[1]。隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，對(duì)礦用掘進(jìn)機(jī)的要求越來(lái)越高，目前掘進(jìn)機(jī)正朝著智能化、高可靠性等方向發(fā)展[2]。截割部是掘進(jìn)機(jī)中重要的機(jī)械結(jié)構(gòu)之一，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性會(huì)對(duì)掘進(jìn)機(jī)整體性能產(chǎn)生重要影響[3]。掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，截割部需要承受較大的工作載荷，且經(jīng)常面臨沖擊性載荷，惡劣的工況條件是截割部容易出現(xiàn)故障問(wèn)題的原因[4]。工程實(shí)踐中截割部后座板容易出現(xiàn)故障問(wèn)題，制約了掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行效率的提升?；诖?，本文基于有限元法對(duì)截割部后座板進(jìn)行靜力學(xué)分析，并提出優(yōu)化改進(jìn)方案，效果良好，對(duì)于提升掘進(jìn)機(jī)的工作效率具有重要的實(shí)踐意義。

1 掘進(jìn)機(jī)截割臂概述

以煤礦中使用的EBH360型掘進(jìn)機(jī)為對(duì)象進(jìn)行研究，設(shè)備整體規(guī)格尺寸為12.86 m×2.9 m×2.23 m，可以截割的范圍為5.95 m×8.7 m，整機(jī)質(zhì)量為120 t，正常工作時(shí)最大行進(jìn)速度為7.9 m/min，可以適應(yīng)的最大巷道傾角為18°[5]。截割部是掘進(jìn)機(jī)中的重要結(jié)構(gòu)件，主要利用截割頭對(duì)巷道圍巖進(jìn)行開(kāi)鑿截割，如圖1所示為掘進(jìn)機(jī)截割部的主要結(jié)構(gòu)三維圖。由圖可知，截割部主要由截割頭、減速機(jī)、連接法蘭、伸縮臂、蓋板以及后座板等部分構(gòu)成。截割頭的尺寸為Φ1.25 m×0.8 m，正常工作時(shí)旋轉(zhuǎn)速度為23 r/min。后座板的主要作用是與回轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行連接，配合伸縮油缸實(shí)現(xiàn)截割部在上下方向上的移動(dòng)。

2 后座板靜力學(xué)模型的建立

2.1 三維幾何模型

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割部的主要結(jié)構(gòu)三維圖

由于Ansys軟件的三維造型能力有限，所以建立有限元模型時(shí)，首先需要利用SolidWorks軟件根據(jù)EBH360掘進(jìn)機(jī)截割部后座板的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立三維幾何模型，并通過(guò)中間格式.igs導(dǎo)入到Ansys軟件中，進(jìn)行后續(xù)模型的建立。三維建模時(shí)，為了提升模型的運(yùn)算速度并確保最后收斂，需要對(duì)結(jié)構(gòu)中的一些細(xì)小結(jié)構(gòu)，比如倒角、倒圓、小孔等進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[6]。

2.2 有限元模型

在Ansys軟件中需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分質(zhì)量同樣會(huì)對(duì)模型計(jì)算過(guò)程和結(jié)果產(chǎn)生重要影響。Ansys軟件中提供了多種類(lèi)型的網(wǎng)格單元，本案例中選擇的是四面體網(wǎng)格類(lèi)型，并基于自動(dòng)模式進(jìn)行網(wǎng)格化，最終確定的單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為9 324個(gè)和9 936個(gè)。

后座板的加工材料為ZG270-500，查閱材料手冊(cè)可知，該材料的彈性模量和泊松比分別為202 GPa和0.3，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為270 MPa和500 MPa，將以上材料參數(shù)輸入到有限元模型中，確保模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。約束條件方面，考慮到后座板工作時(shí)通過(guò)銷(xiāo)軸與回轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行連接，只會(huì)發(fā)生繞耳座軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此將約束條件設(shè)置在耳朵部位，只能繞軸線方向作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3 后座板靜力學(xué)分析結(jié)果

3.1 結(jié)果分析

在Ansys軟件中完成模型的分析計(jì)算工作后，即可利用后處理模塊對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行提取分析。考慮到本文主要是對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)進(jìn)行分析，因此只提取了后主板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖，結(jié)果如圖2所示，圖中不同顏色代表不同的應(yīng)力分布情況。

從圖2中可以明顯看出，后座板結(jié)構(gòu)工作時(shí)不同部位承受的應(yīng)力呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，絕大部分部位的應(yīng)力相對(duì)較小，最小值為124.5 MPa，達(dá)到了可以忽略不計(jì)的程度。應(yīng)力最大值達(dá)到了260 MPa，出現(xiàn)最大應(yīng)力值的部位為耳座部位，耳座的作用是通過(guò)銷(xiāo)軸實(shí)現(xiàn)與回轉(zhuǎn)平臺(tái)之間的連接。耳座結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大基本與現(xiàn)實(shí)情況吻合。

圖2 后座板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力（Pa）分布云圖

3.2 存在的問(wèn)題

EBH360型掘進(jìn)機(jī)截割部后座板的生產(chǎn)加工材料為ZG270-500，此型號(hào)材料的屈服強(qiáng)度為270 MPa。雖然后座板最大應(yīng)力值沒(méi)有超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，但是已經(jīng)非常接近。機(jī)械工程中結(jié)構(gòu)安全系數(shù)n=σb/σmax，其中n為安全系數(shù)，σb和σmax分別為材料的屈服強(qiáng)度和實(shí)際承受的最大應(yīng)力。根據(jù)上述安全系數(shù)的基本概念，可以計(jì)算得到后座板結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)值為1.04。工程實(shí)踐中為了保障機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行的可靠性，通常要求安全系數(shù)超過(guò)1.5?？梢?jiàn)，截割部后座板的安全系數(shù)沒(méi)有達(dá)到機(jī)械工程中相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。再加上后座板工作時(shí)承受的是周期性的工作載荷，偶爾還會(huì)承受沖擊載荷，所以出現(xiàn)應(yīng)力集中的耳座部位容易出現(xiàn)故障問(wèn)題。

4 后座板結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)研究

4.1 優(yōu)化思路

基于上文分析可以看出，后座板最大應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在了與回轉(zhuǎn)平臺(tái)連接的耳座部位，所以需要對(duì)耳座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。后座板運(yùn)行時(shí)通過(guò)耳座實(shí)現(xiàn)力的傳遞，耳座部位受力面積過(guò)小是導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象的重要原因?？梢圆扇〈胧┻m當(dāng)增加耳座部位的受力面積。具體而言，采取優(yōu)化改進(jìn)措施是在耳朵孔洞部位增加凸臺(tái)，以增加圓孔部位面積，從而增加耳座與銷(xiāo)軸的接觸面積。確保在總受力不變的情況下降低應(yīng)力。如圖3所示為后座板結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案示意圖。

圖3 后座板結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案示意圖

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

針對(duì)優(yōu)化改進(jìn)后的方案，再次利用Ansys軟件建立有限元模型并進(jìn)行靜力學(xué)分析。有限元模型中除耳座結(jié)構(gòu)尺寸不同外，其他結(jié)構(gòu)尺寸、材料和邊界條件設(shè)置完全相同。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的后座板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖的基本規(guī)律與優(yōu)化前基本類(lèi)似，整體的受力呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，絕大部分位置的應(yīng)力較小，耳座結(jié)構(gòu)同樣出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力集中最大值降低到了175 MPa。如圖4所示為后座板結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后最大應(yīng)力值對(duì)比情況。

圖4 后座板結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后最大應(yīng)力值對(duì)比情況

由圖4可知，優(yōu)化后的后座板最大應(yīng)力值與優(yōu)化前相比較降低了85 MPa，降低幅度達(dá)到了32.69%，取得了很好的效果。更重要的是，優(yōu)化后的后座板結(jié)構(gòu)安全系數(shù)值提升到了1.54，達(dá)到了機(jī)械工程中的基本標(biāo)準(zhǔn)要求，能更好地保障后座板結(jié)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程的可靠性和安全性。

4.3 應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證上文所述結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的合理性，將此方案部署到EBH360掘進(jìn)機(jī)工程實(shí)踐中。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)件能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行，目前已經(jīng)在工程實(shí)踐中連續(xù)運(yùn)行1年。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員反饋，通過(guò)對(duì)后座板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，使結(jié)構(gòu)件的故障率降低了20%以上，極大提升了掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定性和可靠性，為煤礦開(kāi)采效率的提升奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為企業(yè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

以EBH360掘進(jìn)機(jī)的后座板結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，利用Ansys軟件對(duì)靜力學(xué)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。所得結(jié)論主要有：靜力學(xué)分析結(jié)果表明，后座板耳座部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達(dá)到了260 MPa，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)只有1.04；針對(duì)耳座部位設(shè)置凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，以增加耳座與銷(xiāo)軸的接觸面積，從而降低應(yīng)力集中現(xiàn)象；將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)再次利用ANSYS軟件建立有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化取得很好的效果，最大應(yīng)力值降低到了175 MPa，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)提升到了1.54，滿足機(jī)械工程中的基本要求；將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)部署到掘進(jìn)機(jī)工程實(shí)踐中，使后座板結(jié)構(gòu)的故障率降低了20%以上，為掘進(jìn)機(jī)的可靠運(yùn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。