劉芳忠

（冀中能源股份公司東龐礦，河北 邢臺(tái) 054201）

1 煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作原理

煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的集成，具有零件復(fù)雜、構(gòu)件眾多等特點(diǎn)。如圖1所示，EBZ160 型煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括截割頭、截割臂、回轉(zhuǎn)臺(tái)、升降油缸、回轉(zhuǎn)油缸、回轉(zhuǎn)支撐和本體架。截割頭的主要作用是對(duì)煤層進(jìn)行削切、破落和破碎；截割臂是支撐截割頭的主要構(gòu)件，并在截割電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)截割主軸和截割頭的旋轉(zhuǎn)和扭矩，其制造材料為ZG270-500，密度為7830kg/m3，質(zhì)量為877kg，彈性模量為2.11×105MPa，泊松比為0.311，屈服強(qiáng)度為248MPa；回轉(zhuǎn)臺(tái)是推拉油缸式，它將截割部與本體架進(jìn)行連接并實(shí)現(xiàn)截割部的左右回轉(zhuǎn)，其制造材料為35CrMo，密度為7870kg/m3，質(zhì)量為7144kg，彈性模量為2.13×105MPa，泊松比為0.286，屈服強(qiáng)度為835MPa；升降油缸是截割部上下擺動(dòng)的動(dòng)力來源，可以實(shí)現(xiàn)截割部的升降，最大行程可達(dá)到600mm，其制造材料為45CrMo，密度為7890kg/m3，質(zhì)量為260kg，彈性模量為2.09×105MPa，泊松比為0.269，屈服強(qiáng)度為355MPa；回轉(zhuǎn)油缸是截割部左右擺動(dòng)的動(dòng)力來源，左右行程最大可以達(dá)到650mm，其制造材料為45CrMo，密度為7890kg/m3，質(zhì)量為260kg，彈性模量為2.09×105MPa，泊松比為0.269，屈服強(qiáng)度為355MPa；回轉(zhuǎn)支撐是連接回轉(zhuǎn)臺(tái)和本體架的中間構(gòu)件，可以確?；剞D(zhuǎn)臺(tái)與本體架的相對(duì)位移，其制造材料為42CrMo，密度為7850kg/m3，質(zhì)量為455kg，彈性模量為2.12×105MPa，泊松比為0.280，屈服強(qiáng)度為930MPa[1]；本體架的制造材料為Q235-A，密度為7860kg/m3，質(zhì)量為4857kg，彈性模量為2.12×105MPa，泊松比為0.288，屈服強(qiáng)度為235MPa[2-4]。

圖1 煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組裝圖和爆炸圖

2 煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)靜力學(xué)特性仿真結(jié)果分析

為了研究煤礦懸臂式掘進(jìn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的受力特征，基于有限元分析軟件ANSYS 的Workbench 模塊建立懸臂式掘進(jìn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的三維模型，如圖1 所示。計(jì)算時(shí)，各個(gè)構(gòu)件的網(wǎng)格劃分采用軟件內(nèi)嵌的網(wǎng)格類型進(jìn)行劃分，零件間的接觸采用Hertz 接觸理論，按軟件內(nèi)部設(shè)定的柔性-柔性接觸計(jì)算方式模擬回轉(zhuǎn)臺(tái)銷軸的接觸，按最小勢(shì)能原理約束整體的接觸邊界。由于煤炭開采時(shí)的荷載十分復(fù)雜，隨機(jī)性大，因此需要基于概率性的蒙特卡洛法生成驅(qū)動(dòng)油缸的荷載，以模擬煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自適應(yīng)工作狀態(tài)，其隨機(jī)生成的過程為先確定載荷數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，提取分布參數(shù)，隨后輸入需要模擬的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)n，產(chǎn)生n個(gè)符合相應(yīng)分布的隨機(jī)數(shù)[5]。為真實(shí)反映截割頭、回轉(zhuǎn)油箱、升降油箱的實(shí)際載荷，按照截割頭的極限行程進(jìn)行驅(qū)動(dòng)油缸荷載生產(chǎn)，極限行程的大小表示截割頭從左極限位置擺動(dòng)到右極限位置，相應(yīng)地，截割臂也會(huì)跟著截割頭的擺動(dòng)產(chǎn)生伸長(zhǎng)和縮短，其水平角從-28°切換到+28°。

基于蒙特卡洛法隨機(jī)生成的驅(qū)動(dòng)油缸荷載見表1。從表1 可以看出，左回轉(zhuǎn)油缸的拉動(dòng)荷載和推動(dòng)荷載的變化為6.1MPa~22.MPa 不等，而升降油缸推動(dòng)荷載的變化為6.25MPa~12.37MPa。

表1 基于蒙特卡洛法生成的驅(qū)動(dòng)油缸荷載

工作時(shí)，煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割頭在截割電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，截割頭、左右回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸產(chǎn)生負(fù)荷，截割頭運(yùn)動(dòng)到不同位置時(shí)，各個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最不利工程有所不同。因此進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)需要考慮煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作的3 種最不利工況，分別是工況A——左右回轉(zhuǎn)油缸行程一致，截割臂保持水平；工況B——截割頭擺動(dòng)到最下位置，左回轉(zhuǎn)油缸行程達(dá)到極限值（655mm），而截割臂的仰角為-26°（負(fù)值表示向下）；工況C——截割頭擺動(dòng)到最上位置，左回轉(zhuǎn)油缸的形成為零，右回轉(zhuǎn)油缸的行程達(dá)到極限值（655mm），截割臂的仰角為+44°（正值表示向上）。

3 種不同工況條件下懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果如表2 和圖2 所示。從圖2 可以看出，工況A 和工況C 的懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力呈現(xiàn)大致相同的變化規(guī)律，工況B 的懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力略有不同。在工況A 和工況C 條件下，回轉(zhuǎn)臺(tái)銷軸的最大應(yīng)力出現(xiàn)在1#銷軸，分別為159.19MPa、191.73MPa，其余銷軸的最大應(yīng)力大致相同，左右回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的最大應(yīng)力大致相同，工況A 左右回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的最大應(yīng)力為112.23MPa~128.37MPa，工況C 左右回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的最大應(yīng)力為137.04MPa~145.27MPa。在工況B 條件下，回轉(zhuǎn)臺(tái)銷軸的最大應(yīng)力極值出現(xiàn)在2#銷軸、5#銷軸和7#銷軸，分別為138.71MPa、142.17MPa 和134.35MPa，其余銷軸的最大應(yīng)力大致相同，左回轉(zhuǎn)、右回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的最大應(yīng)力依次增大?；剞D(zhuǎn)臺(tái)的最大應(yīng)力按工況A、工況B 和工況C 的順序依次增大。

圖2 基于蒙特卡洛法生成的驅(qū)動(dòng)油缸荷載時(shí)程曲線

表2 3 種不同工況下懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果

3 煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性仿真結(jié)果分析

煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性仿真分析過程為確定模型自由度和主動(dòng)件，選取廣義坐標(biāo)，通過運(yùn)動(dòng)分析確定廣義速度，隨后求解各個(gè)構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)參數(shù)（動(dòng)能、勢(shì)能、驅(qū)動(dòng)力、速度以及加速度等），最后根據(jù)虛功原理確定廣義力，代入拉格朗日方程得到關(guān)鍵結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)微分方程[6]。數(shù)值計(jì)算采用有限元分析軟件ANSYS 的Mechanial Dynamics 模塊，計(jì)算設(shè)定為2 種動(dòng)力學(xué)工況，分別是非冗余驅(qū)動(dòng)和冗余驅(qū)動(dòng)。

非冗余驅(qū)動(dòng)和冗余驅(qū)動(dòng)條件下回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的驅(qū)動(dòng)力仿真計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4 和表3 所示。從圖4 可以看出，在非冗余驅(qū)動(dòng)下，添加驅(qū)動(dòng)力的左回旋油缸和左升降油缸呈隨動(dòng)狀態(tài)，在400s 內(nèi)呈規(guī)律性的波動(dòng)，左回旋油缸和左升降油缸驅(qū)動(dòng)力有2 個(gè)周期性的穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)，其驅(qū)動(dòng)力波動(dòng)范圍分為別為225kN~556kN、-600kN~215kN，左升降油缸動(dòng)力也有2 個(gè)穩(wěn)定的波動(dòng)狀態(tài)，但其波動(dòng)范圍進(jìn)一步縮小，驅(qū)動(dòng)力波動(dòng)范圍分為別為450kN~556kN、-200kN~0kN。未添加驅(qū)動(dòng)力的隨動(dòng)油缸（右回轉(zhuǎn)、右升降油缸）驅(qū)動(dòng)力均為零。從圖5 可以看出，在冗余驅(qū)動(dòng)下，左回旋油缸驅(qū)動(dòng)力和右升降油缸驅(qū)動(dòng)力均呈隨動(dòng)狀態(tài)，在400s 內(nèi)呈規(guī)律性的波動(dòng)且左回旋油缸驅(qū)動(dòng)力曲線與右升降油缸驅(qū)動(dòng)力曲線相互間呈鏡像關(guān)系。

圖3 不同工況下懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力曲線

圖4 非冗余驅(qū)動(dòng)條件下回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的驅(qū)動(dòng)力變化曲線

圖5 冗余驅(qū)動(dòng)條件下回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的驅(qū)動(dòng)力變化曲線

表3 非冗余驅(qū)動(dòng)和冗余驅(qū)動(dòng)條件下回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的驅(qū)動(dòng)力仿真計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

該文以EBZ160 型煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的手段建立三維分析模型，研究3 種最不利工況下懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)特性，分析非冗余驅(qū)動(dòng)和冗余驅(qū)動(dòng)下懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，得出以下幾個(gè)結(jié)論：1）工況A 和工況C 的懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力呈現(xiàn)出大致相同的變化規(guī)律，工況B 的懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力略有不同，在工況A 和工況C 條件下，回轉(zhuǎn)臺(tái)銷軸的最大應(yīng)力出現(xiàn)在1#銷軸。在工況B 條件下，回轉(zhuǎn)臺(tái)銷軸的最大應(yīng)力極值出現(xiàn)在2#銷軸、5#銷軸和7#銷軸，回轉(zhuǎn)臺(tái)的最大應(yīng)力按工況A、工況B 和工況C 的順序依次增大。2）在非冗余驅(qū)動(dòng)下，添加驅(qū)動(dòng)力的左回旋油缸和左升降油缸呈隨動(dòng)狀態(tài)，在400s內(nèi)呈規(guī)律性的波動(dòng)，回旋油缸驅(qū)動(dòng)力有2 個(gè)周期性的穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)。在冗余驅(qū)動(dòng)下，左回旋油缸驅(qū)動(dòng)力和右升降油缸驅(qū)動(dòng)力均呈隨動(dòng)狀態(tài)，在400s 內(nèi)呈規(guī)律性的波動(dòng)且左回旋油缸驅(qū)動(dòng)力曲線與右升降油缸驅(qū)動(dòng)力曲線相互間呈鏡像關(guān)系。