淺析全斷面煤巷高效掘進機本體部校核設計

藏家君 邵 帥（北方重工集團有限公司煤礦機械分公司，遼寧 沈陽 110141）

淺析全斷面煤巷高效掘進機本體部校核設計

藏家君 邵 帥
（北方重工集團有限公司煤礦機械分公司，遼寧 沈陽 110141）

摘 要：全斷面煤巷高效掘進機本體部在整機中處于中心位置，其上承擔著機體的各功能部件，下部與承重的行走裝置鉸接，工作情況下該部件的受力比較復雜；為保證工作的可靠性，設計過程中通過Creo，Ansys等軟件對其進行有限元分析。

關鍵詞：本體部；有限元模型；載荷及約束

日前，國內首臺煤礦用全斷面高效掘進機QMJ4260已在神東公司大柳塔煤礦投入使用，該機主要用于煤礦巷道掘進作業，截割標準斷面成寬6m，高4.2m的矩形斷面，掘進作業速度可達到15m/h。該機作為全斷面一次成型的高效掘進設備，在設計過程中需要對許多部件進行嚴謹的校核分析，以滿足煤礦井下復雜工作環境下的使用要求。

本體部在整機中處于中心位置，其上承擔著機體的各功能部件，下部與承重的行走裝置鉸接，工作情況下該部件的受力比較復雜；為保證工作的可靠性，設計過程中通過Creo，Ansys等軟件對其進行了有限元分析。

1 邊界條件分析

掘進機在正常工作時，整機的重量由兩條履帶承擔。本體部的受力主要是前方截割部通過連接面傳過來的力，自身重力，其上的截割電機的重力。

每個刀盤上受向后的推力55 t，扭矩660kN·m；上面滾筒受向后和向下的力各5.5t；下面滾筒受向后和向下的力各11t；截割部自重90t。本體部自身重力按材料密度，直接由分析軟件自行計算，均勻的分布在本體結構材料上。截割電機重5.5t，作用于本體部中部。

2 有限元模型

在Creo下設計的模型里面包含大量的焊接件，在建模過程中，焊縫處按連續結構處理。去掉了對計算結果影響不大的細小倒角，孔和槽均原樣保留。為方便施加截割頭上的載荷，在分析時對截割部的模型也加入了有限元分析模型。截割部不在所分析的內容之中，實體模型導入Ansys后對其進行了大量簡化。有限元模型的單元類型選擇三維實體單元Solid 185。該單元是三維實體分析中一種常用單元，有八個節點，可用于六面體網格劃分，也可退化為五面體或四面體。

本體部為組焊件，材料暫定為Q345，板厚有60mm和80mm兩種。

根據設計手冊，該材料的屈服強度為不小于275MPa，抗拉強度為470-630MPa。

本體部整體采用六面體網格，對于應力較大的部位，采用四面體進行細化。截割部采用較粗的網格進行劃分。用梁單元和桿單元模擬上下截割部，銷軸和傳動油缸。本體部與截割部之間，建立接觸對。按照上述邊界條件分析數據對有限元模型添加載荷及約束后的有限元模型如圖1所示。

3 有限元分析結果

應力分布如圖2所示，整體應力多在44MPa以下。按靜強度校核，該結構是安全的。從總體應力云圖上可以看出，還有兩個位置應力較大：在本體部連接面與上部板材相交處，應力大約130MPa，以及與提升油缸銷軸相接觸的位置，應力大約100MPa。位移云圖如圖3所示，最大位移為0.8mm。

結語

通過分析，分析了本體部在各種載荷作用下的應力分布及位移。按照靜強度理論校核，該結構是安全的。在分析結果中可以看出，在兩個位置應力較大：（1）本體部與提升油缸銷軸相接觸的銷軸孔，應力可達100MPa；（2）本體部連接面與上部板材相交處，應力可達130MPa。

針對這兩處進行分析。在本體部與提升油缸銷軸相接觸的銷軸孔處，該處在分析時采用了桿單元模擬銷軸的傳力。觀察最后的分析結果（100MPa），對比材料的屈服強度（275MPa），可知此處較為安全。且此處承受的為簡單的壓應力為主，不易產生疲勞破壞；本體部連接面與上部板材相交位置，由于截割部質量較

大，此處受較大的拉應力，且此處為直角結構，容易導致應力集中，產生較大的應力值。

參考文獻

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[3]薛風先，等.ANSYS12.0機械與結構有限元分析從入門到精通[M]. 北京：機械工業出版社，2010.

中圖分類號：TD421

文獻標識碼：A