張禮才

（中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030032）

0 引言

掘采裝備是煤礦井下快速掘進(jìn)系統(tǒng)的龍頭裝備，其可靠性水平直接影響快掘系統(tǒng)的可靠性。 行走部是掘采裝備的核心部件，承擔(dān)著設(shè)備進(jìn)尺、調(diào)動的任務(wù)，掘采裝備行走部調(diào)試、檢修需要通過截割臂、穩(wěn)定靴撐起整機(jī)，通常采用直接撐地或者墊枕木的方式，造成了截齒應(yīng)力集中、截割油缸過載等問題，影響了掘采裝備整機(jī)可靠性[1]。為此，本文設(shè)計(jì)了掘采裝備行走部調(diào)試、檢修支撐架，應(yīng)用有限單元法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和強(qiáng)度校核， 為掘采裝備可靠性提升奠定了基礎(chǔ)。

1 掘采裝備行走部調(diào)試、檢修流程及問題

1.1 行走部調(diào)試、檢修流程

掘采裝備在車間裝配完成后，首先加注潤滑油，包括連接銷軸加注黃油，減速器加注齒輪油，然后調(diào)試電控系統(tǒng)，整機(jī)電控系統(tǒng)調(diào)試完成后，進(jìn)入部件調(diào)試階段。

通過截割臂、穩(wěn)定靴將設(shè)備撐起，履帶離地，給漲緊油缸加注黃油，漲緊履帶，履帶懸垂度滿足設(shè)計(jì)要求后，通過墊板限位，卸掉黃油，正向、反向空轉(zhuǎn)履帶。 檢查行走部履帶運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。

掘采裝備井下服役過程中，行走部發(fā)生故障，比如履帶銷斷裂、行走減速器故障，需要通過截割臂、穩(wěn)定靴撐起整機(jī)，檢修更換故障部件[2]。

1.2 行走部調(diào)試、檢修的問題

行走部調(diào)試、 檢修通常采用截割滾筒下墊枕木的方式或者截割滾筒直接接觸地面，

這兩種調(diào)試、檢修方式會導(dǎo)致截齒、齒座、截割油缸可靠性降低，而且存在安全隱患。 具體表現(xiàn)如下：

（1）截割滾筒下墊枕木的檢修、調(diào)試方式導(dǎo)致齒尖應(yīng)力集中。 截割滾筒上焊接了齒座，齒座上安裝了截齒，掘采裝備重量達(dá)到數(shù)十噸甚至上百噸， 重載荷作用在齒尖上，導(dǎo)致截齒變形、齒座焊縫開裂等故障。 多個枕木摞在一起，存在枕木開裂、坍塌的安全隱患。

（2）截割滾筒直接接觸地面的檢修、調(diào)試方式會導(dǎo)致齒尖應(yīng)力集中、截齒變形，截割油缸力臂縮短，導(dǎo)致截割油缸過載損壞問題。

2 行走部調(diào)試、檢修支撐架設(shè)計(jì)

2.1 功能分析

分析系統(tǒng)的總功能是擬定原理方案的首要環(huán)節(jié)，常采用“黑箱法”，根據(jù)系統(tǒng)的輸入和輸出關(guān)系來研究實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能[3]。

將掘采裝備行走部履帶接觸地面視為初始狀態(tài)，即系統(tǒng)輸入，將履帶離開地面狀態(tài)視為終止?fàn)顟B(tài)，即系統(tǒng)輸出。 掘采裝備行走部調(diào)試、檢修支撐架黑箱圖見圖1。掘采裝備截割滾筒對支撐架做功， 支撐架產(chǎn)生彈性變形，作為彈性勢能儲存。

圖1 支撐架黑箱圖

2.2 載荷計(jì)算

掘采裝備通過截割臂、穩(wěn)定靴將整機(jī)撐起，整機(jī)受力分析見圖2。

圖2 掘采裝備受力分析

圖中F 表示掘采裝備滾筒受到的支撐力，G 表示掘采裝備重力，N 表示掘采裝備穩(wěn)定靴受到的支撐力。

掘采裝備處于平衡態(tài)，其受到的重力、支撐力對O 點(diǎn)取矩，得到如下方程式。

支撐架受到的壓力與滾筒受到的支撐力F 是一對作用力與反作用力，根據(jù)牛頓第三定律，二者大小相等，方向相反[4]。

2.3 尺寸計(jì)算

支撐架高度應(yīng)滿足，穩(wěn)定靴完全伸出后，機(jī)架保持水平狀態(tài)。掘采裝備截齒在滾筒上呈螺旋線排布，支撐架寬度應(yīng)小于齒座螺距，保證支撐架與滾筒接觸時，不與齒座干涉。 支撐架尺寸參數(shù)見圖3。

圖3 支撐架尺寸示意圖

圖中1 表示齒座，2表示滾筒，3 表示支撐架，H 表 示 支 撐 架 高 度，B 表示支撐架寬度。

根據(jù)掘采裝備三維尺寸、 滾筒上齒座間距尺寸， 計(jì)算得到支撐架高度H 為600mm，寬度B 為140mm。

綜合上述分析計(jì)算過程，掘采裝備行走部調(diào)試、檢修支撐架應(yīng)滿足尺寸要求、承載能力要求以及質(zhì)量輕、方便使用要求[5]。 為此將支撐架設(shè)計(jì)為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 支撐架結(jié)構(gòu)圖

圖中1 表示支撐板，2 表示擋板，3 表示斜筋，4 表示立板，5 表示橫筋，6 表示豎筋，7表示底板。

支撐板與滾筒接觸，支撐板受到的載荷通過立板、底板傳遞至地面，擋板、筋板用來增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

3 支撐架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 支撐架有限元分析

建立滾筒模型，導(dǎo)入支撐架裝配體，在滾筒與支撐板之間添加相切的配合關(guān)系， 將三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS workbench。

滾筒與支撐板之間添加不分離接觸， 模擬滾筒與支撐架的接觸關(guān)系，支撐架的支撐板、立板、筋板、擋板、底板彼此之間添加綁定接觸， 模擬支撐架各個板之間的焊接裝配關(guān)系[6]。

采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方式，設(shè)置單元尺寸為5mm，滾筒與支撐板接觸部位，設(shè)置接觸單元尺寸2mm，滾筒網(wǎng)格與支撐板網(wǎng)格在接觸部位節(jié)點(diǎn)對齊， 確保滾筒載荷通過節(jié)點(diǎn)傳遞至支撐板，完成支撐架網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)數(shù)135536，單元數(shù)22752。

對滾筒施加軸承載荷， 模擬截割減速器與滾筒的裝配關(guān)系，載荷方向豎直向下，按照2.2 節(jié)給出的方法，計(jì)算得到某型號掘采裝備行走部檢修調(diào)試支撐架受到的載荷大小為20t。 在底板的下表面添加固定約束方式。

支撐架有限元分析模型見圖5。

圖5 支撐架有限元分析模型

求解掘采裝備行走部檢修調(diào)試支撐架有限元分析模型，得到支撐架載荷分布見圖6。

圖6 支撐架載荷分布圖

由圖6 可知，掘采裝備行走部調(diào)試、檢修支撐架最大載荷出現(xiàn)在立板凹槽角點(diǎn)處， 最大載荷幅值為178.54MPa， 支撐架材料為Q235， 最大載荷低于屈服極限，安全系數(shù)為1.32，支撐架靜力學(xué)強(qiáng)度滿足要求。

3.2 支撐架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在掘采裝備生產(chǎn)車間和煤礦井下，支撐架經(jīng)常使用，需要滿足質(zhì)量輕，便于移動要求，為此，在支撐架立板上增加減重孔， 支撐架重量由原來的123.6kg 降至97.4kg，支撐架自重降低21%。

求解減重后的支撐架有限元分析模型， 獲得其載荷分布如圖7（a）所示。

圖7 支撐架結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討

由圖7（a）可知，減重后的支撐架最大載荷仍然出現(xiàn)在立板凹槽角點(diǎn)處，最大載荷值為190.81MPa。 支撐架載荷低于其屈服極限，強(qiáng)度滿足要求。

鑒于支撐架立板凹槽角點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力極值， 改變支撐架凹槽角點(diǎn)結(jié)構(gòu)，觀察應(yīng)力極值變化情況。

分別將立板凹槽角點(diǎn)設(shè)計(jì)為倒角、卸荷孔、圓角三種結(jié)構(gòu)，將新結(jié)構(gòu)的支撐架導(dǎo)入有限元分析軟件，計(jì)算得到支撐架載荷分布情況如圖7（b）～（d）所示。

原始結(jié)構(gòu)、 增加減重孔以及立板槽角點(diǎn)設(shè)計(jì)為倒角、卸荷孔、圓角五種情況下，支撐架應(yīng)力極值統(tǒng)計(jì)見表1。

由表1 可知，增加減重孔，支撐架應(yīng)力極值增加了7%，增加倒角， 支撐架應(yīng)力極值增加了43%，增加卸荷孔，支撐架應(yīng)力極值增加了97%，增加圓角，支撐架應(yīng)力極值增加了66%。與原始結(jié)構(gòu)相比，增加減重孔，應(yīng)力極值未超過屈服極限， 增加倒角、增加卸荷孔、增加圓角三種情況下，支撐架應(yīng)力極值均超過了屈服極限，不滿足強(qiáng)度要求。

表1 支撐架應(yīng)力極值統(tǒng)計(jì)

綜上所述， 采用增加減重孔的支撐架模型作為設(shè)計(jì)定型機(jī)構(gòu)。

4 支撐架應(yīng)用情況

掘采裝備支撐架完成了設(shè)計(jì)和制造， 應(yīng)用于掘采裝備行走部調(diào)試， 累計(jì)完成了數(shù)十臺連采機(jī)、 掘錨一體機(jī)行走部調(diào)試。 掘采裝備行走部調(diào)試支撐架應(yīng)用現(xiàn)場見圖8。

圖8 支撐架應(yīng)用

5 結(jié)束語

本文針對掘采裝備行走部檢修、調(diào)試問題，基于功能分析法，確定了支撐架總功能，計(jì)算了支撐架載荷與尺寸參數(shù)，應(yīng)用有限單元法，計(jì)算了支撐架應(yīng)力分布并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得出結(jié)論如下：

（1）功能分析法與有限單元法相結(jié)合，是提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要方法， 本文應(yīng)用此方法完成了掘采裝備行走部調(diào)試、檢修支撐架方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（2）模擬實(shí)際工況加載是提高有限元計(jì)算精度的重要方法，本文模擬滾筒與支撐架接觸配合關(guān)系，建立包含滾筒在內(nèi)的支撐架有限元分析模型， 提高了支撐架有限元分析精度。

（3）支撐架應(yīng)用于掘采裝備行走部調(diào)試、檢修，解決了截齒應(yīng)力集中和截割油缸過載問題，提高了掘采裝備可靠性。