EBZ220型掘進機鏟板在使用中的結構性能研究

胡文輝

（陽泉煤業（集團）有限責任公司一礦，山西 陽泉 045008）

引言

掘進機作為煤礦開采的關鍵設備，已被廣泛應用到了煤礦開采中，而鏟板則是掘進機設備的重要部件[1]。由于掘進機井下作業過程中經常會遇到較大的外界載荷沖擊、摩擦阻力較大等作業條件，致使掘進機作業過程中常出現電機燒壞、結構變形嚴重、局部開裂、控制系統短路等現象，其中鏟板部件則會出現結構變形、局部開裂等失效現象。由于掘進機與采煤機、液壓支架等設備處于一條開采線上，掘進機一旦出現上述現象尤其是鏟板的失效現象，將會處于停機維修狀態，最終導致整個開采鏈處于癱瘓狀態[2]。可見掘進機鏟板的結構強度對掘進機的安全運行作用重大。

1 掘進機結構組成

以EBZ220型掘進機為例，該型號掘進機的最大切割高度為3 m，煤層切割硬度小于80 MPa，運輸能力可達220 m3/h，其結構主要包括截割部、鏟板部、回轉部、裝運部、行走部、液壓系統、電氣系統等[3]。其中：截割部包括工作臂、截割頭、截割電動機、截割減速器等部件[4]；鏟板部則主要由中間主鏟板、左側鏟板、右側鏟板等組成，左右鏟板通過螺栓與主鏟板進行固定連接，主鏟板的尾部鉸接耳處則通過銷軸與油缸及主機架進行連接。由于鏟板在作業過程中將受到來自頂部的外界作用力及來自后端的拉力作用，導致主鏟板及左右側鏟板結構在作業過程中會不可避免地出現左右側鏟板結構變形、局部開裂等失效現象[5]。為此，利用當前成熟的有限元分析方法對鏟板的結構性能進行研究，為提高鏟板結構壽命提供重要理論依據。

2 鏟板模型的建立

2.1 三維模型的建立

根據鏟板的結構組成特點及性能，采用了Solidworks軟件，對其進行了三維模型的建立。所建立的模型主要包括中部主鏟板、左右兩側鏟板、筋板及鉸接耳等部件。為提高對模型的分析精度及準確性，對模型中的圓角、倒角、較小螺栓孔等進行了模型簡化，并將模型中的螺栓螺母、定位銷等零件也進行了模型簡化，僅保留了鏟板中的關鍵部件及特征，最終按照1∶1的模型比例，得到了鏟板的整體三維模型，如圖1所示。

圖1 掘進機中鏟板三維模型

2.2 仿真模型的建立

將掘進機中鏟板導入ABAQUS軟件中，對其進行了仿真模型的建立。在此軟件中，首先根據鏟板實際使用中的結構材料屬性，將其材料設置為Q345，并將此材料賦予鏟板的各個部件，Q345材料的關鍵參數如表1所示[6]。根據鏟板的結構特點，在軟件中將其設置為SOLID實體單元模式，對其進行了四面體網格劃分（見下頁圖2），將網格大小設置為12 mm，對鉸接耳處進行了網格加密處理。另外，在鏟板中部頂面上設置了15 950 N的牽引力，在左右鏟板頂面設置了8 000 N的向后作用力。最后，對鏟板后端的鉸接孔處進行了圓柱面約束，對其徑向及軸向則不進行約束。

圖2 鏟板網格劃分圖

表1 鏟板Q345材料關鍵參數

3 鏟板結構強度的分析

3.1 應力變化的分析

通過對鏟板模型的仿真分析研究，得到了其在使用過程中的結構應力變化結果，如圖3所示。由圖可知：鏟板在使用過程中整體受力較為均勻，局部區域處于相對較為明顯的應力集中現象，但應力值相對較小，主要出現在左側、右側鏟板的前端區域；左右側板后端與鉸接耳相連接附近、后端的鉸接耳等區域也出現了局部的應力集中現象，但均未超過其材料的屈服強度345 MPa。分析其原因為：鏟板在作業過程中由于受到向后的拉力作用，加上左右側鏟板受到向下的作用力，致使其結構出現了局部應力集中現象。由此可知，鏟板的左右側前端及后端的鉸接耳等區域是整個結構的薄弱部位，在部件使用過程中需重點對其進行維護保養。

圖3 掘進機鏟板應力變化圖

3.2 結構位移變形的分析

通過仿真分析，得到了鏟板在使用過程中的結構位移變形圖，如圖4所示。由圖可知：鏟板整體結構出現了較為明顯的變形現象，且呈無規律的變化趨勢，最大變形量出現在左側、右側鏟板的邊緣，并向左右側鏟板中部區域呈現逐漸減小的變化趨勢；同時，在中部鏟板的前端也出現了較為明顯的結構變形現象，并沿著中部鏟板的尾端方向呈逐漸減小趨勢。分析其原因為：鏟板在作業時也受到了來自尾端的較大作用力及上部的較大壓力，導致左右側鏟板因結構尺寸較小而出現了較為明顯的結構變形，使得左右側鏟板成為整個結構的薄弱部位。鏟板長時間在惡劣條件下工作將極可能率先在左右側鏟板區域出現結構變形或局部開裂現象，嚴重影響著鏟板及掘進機的作業安全，故需對其進行重點改進設計。

圖4 掘進機鏟板結構變形圖

4 鏟板結構的改進措施

根據前文的分析結果可知，鏟板的左右兩側鏟板、中間主鏟板的前端及鉸接耳處等區域出現了不同程度的應力集中及結構變形現象，是整個結構的薄弱部位，故針對鏟板存在的不足，提出了如下幾點結構改進措施：

1）在鏟板結構設計時，將鏟板的左右兩側及中部前端等區域的材料厚度增加2~4 mm，并對較薄區域焊接加強筋，以提高鏟板的整體結構強度；

2）在鏟板結構設計時，將鏟板的結構材料由Q345材料改為屈服強度更高的45號鋼，使得鏟板結構材料的屈服強度更高，提高其結構的強度及剛度；

3）在鏟板生產后期，對其鉸接耳及其他關鍵區域進行熱處理加工處理，經過對材料進行調質、淬火等工藝，提高其材料的強度及剛度；

4）在鏟板應力集中區域的附近開設直徑為2 mm左右的圓孔，使得大部分集中應力能轉移至小孔處，緩解結構上的應力集中現象，保證結構的整體安全性能；

5）定期對鏟板薄弱部位進行觀察維護，針對出現的結構失效問題，及時對其進行維修或更換。

5 結論

1）鏟板的左右兩側鏟板、中間主鏟板的前端及鉸接耳處等區域出現了不同程度的應力集中及結構變形現象，是整個結構上的薄弱部位

2）從材料、結構尺寸、熱處理工藝等方面對鏟板進行結構優化改進，以提高鏟板的結構強度、降低其結構失效概率，提高其使用壽命。