基于ANSYS的EBZ260掘進(jìn)機(jī)截割頭結(jié)構(gòu)性能分析

于敬澤

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

引言

目前，煤礦在我國(guó)化石能源中仍然占比為65%左右，煤礦的消耗量巨大，同時(shí)伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型，煤礦產(chǎn)業(yè)也不斷往更高層次的機(jī)械化方向發(fā)展，煤礦開采設(shè)備也得到不斷發(fā)展。煤礦開采主要包括落煤、轉(zhuǎn)運(yùn)、支護(hù)、監(jiān)控、防護(hù)等生產(chǎn)技術(shù)，其中掘進(jìn)機(jī)主要負(fù)責(zé)煤礦的截割、破碎，極大地提高了煤炭開采的效率。

掘進(jìn)機(jī)常與液壓支架和帶式輸送機(jī)聯(lián)合使用，三種設(shè)備之間相互配合，完成對(duì)煤礦的開采及運(yùn)輸。基于ANSYS Workbench 對(duì)EBZ260型掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以了解結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，對(duì)于掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要參考意義，有助于提高設(shè)備的可靠性以及適應(yīng)壽命[1]。

1 EBZ260掘進(jìn)機(jī)概述

EBJ260型掘進(jìn)機(jī)是一種結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好且應(yīng)用廣泛的一款采礦用掘進(jìn)機(jī)。根據(jù)我國(guó)目前煤礦的分布特征，相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示接近600 萬(wàn)m3的巷道掘進(jìn)量是由掘進(jìn)機(jī)完成，占所有掘進(jìn)開采量的70%左右，所以掘進(jìn)機(jī)對(duì)保障煤炭的生產(chǎn)具有非常重要的作用。掘進(jìn)機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括截割機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、走行機(jī)構(gòu)等。

掘進(jìn)機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)包括截割頭、減速器、懸臂結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)和滑架組成，為掘進(jìn)機(jī)直接工作部件。工作部件的使用壽命提高可提高設(shè)備的使用效益，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。掘進(jìn)機(jī)采用液壓傳動(dòng)方式，液壓系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源是一臺(tái)45 kW的電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)一套齒輪泵。圖1 所示為掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[2]。

圖1 EBZ260掘進(jìn)機(jī)

2 截割頭的載荷分析

鎬齒一般固定安裝于掘進(jìn)機(jī)截割頭上，截割頭上有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，截割頭具有縱向伸縮能力，鎬齒的空間位置可以用以截割頭為圓柱中心的圓柱坐標(biāo)系來(lái)表示鎬齒的位置。可以將第i 個(gè)鎬齒位置表示為zi，其齒尖的坐標(biāo)可以用旋轉(zhuǎn)角度θi以及齒尖回轉(zhuǎn)半徑ri，軸向距離用Z 來(lái)表示。掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)，截割頭上每個(gè)鎬齒均切如煤巖，做非連續(xù)性的煤層切削，因此截割頭實(shí)際工作狀態(tài)下承受了較大的連續(xù)性的載荷沖擊。為了準(zhǔn)確地分析鎬齒的受力情況，為截割頭仿真分析提供有力參考，需對(duì)結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析[3]。

鎬齒在實(shí)際切削過程中，可以假設(shè)沿切削其所受切削反作用力為Fs，可利用Evans 理論計(jì)算得到如下關(guān)系式：

式中：h1為鎬齒切割的深度；β 為鎬齒自身齒尖傾斜角度；X 為巖層的硬度比，需根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行換算。由于鎬齒也做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此切削力的大小與方向也在不斷地改變，從而存在一個(gè)力的加速度的問題。該加速度的方向是沿著螺旋線的方向，根據(jù)計(jì)算公式可以得到鎬齒上三個(gè)作用力Fs、Fr、Ft它們?nèi)咧g的關(guān)系，如下頁(yè)圖2 所示[4]。

圖2 截割頭鎬齒的受力情況

3 建立分析模型

3.1 幾何模型

截割頭仿真模型的建立，如下頁(yè)圖3 所示，為截割頭安裝結(jié)構(gòu)示意圖，鎬齒可以在齒座內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。在建模時(shí)忽略不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的細(xì)小特征，如小圓孔、凸臺(tái)等，建模時(shí)假定齒座底面完全約束。

圖3 鎬齒的安裝示意圖

3.2 材料屬性

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)材料的特性，齒座材料為16Mn，鎬齒材料為35CrMoSi，合金刀具的材料采用硬質(zhì)合金XG07。其中16Mn 彈性模量E 為213 GPa，泊松比0.32，屈服強(qiáng)度366 MPa，35CrMoSi 與硬質(zhì)合金材料參數(shù)分別為，彈性模量為212 GPa、213 GPa，泊松比0.31、0.284，屈服強(qiáng)度361 MPa、820 MPa。基于ANSYS 軟件的APDL對(duì)截割頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，鎬齒與齒座之間采用接觸，齒座固定在截割體上[5]。

3.3 網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格單元類型選擇Solid45 單元，采用自由網(wǎng)格劃分方法對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行處理，設(shè)置齒座與鎬齒之間接觸關(guān)系，選用CONTA174 作為接觸單元，網(wǎng)格劃分得到138 101 個(gè)單元和627 412 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.4 載荷與邊界

載荷與邊界條件的設(shè)置對(duì)模型計(jì)算結(jié)果影響較大，因此需盡可能模擬出截割頭的真實(shí)受力情況。模型邊界條件的設(shè)定，在齒座的地面施加全約束，由于鎬齒與齒座之間焊接連接，因此可以設(shè)置剛性約束。鎬齒所受的主要三個(gè)載荷Fs、Fr、Ft隨工作角度的變化而變化，因此可根據(jù)鎬齒受力函數(shù)關(guān)系確定[6]。

4 應(yīng)力分析結(jié)果

對(duì)截割頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析，以第四強(qiáng)度理論為依據(jù)，提取了鎬齒、齒座分析計(jì)算結(jié)果，根據(jù)應(yīng)力分布情況，對(duì)結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化改進(jìn)方案。

從圖4-1 可知，鎬齒最大應(yīng)力值為618 MPa，若不考慮應(yīng)力集中的影響，可知最大應(yīng)力的分布位置位于刀尖附近。鎬齒其他位置的應(yīng)力分布較小，此區(qū)域可以理解為在實(shí)際工作中接觸煤層的區(qū)域。且仿真得到最大應(yīng)力值小于材料的屈服強(qiáng)度820 MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

從圖4-2 可知，齒座上最大應(yīng)力值為180 MPa，最大應(yīng)力值點(diǎn)是與鎬齒相互作用而產(chǎn)生，位于齒座孔內(nèi)與端面的交界位置。根據(jù)安全系數(shù)公式，即材料屈服極限強(qiáng)度除以最大應(yīng)力值，得到鎬齒安全系數(shù)為1.33，齒座安全系數(shù)為2.001。由于在所施加的載荷中，已考慮了沖擊載荷，所以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 鎬齒、齒座應(yīng)力（Pa）分布情況

從圖5-2（見下頁(yè)）可知，可以得到鎬齒桿最大應(yīng)力為334 MPa，最大應(yīng)力值位于桿的端面與齒座相連接的部位。當(dāng)鎬齒與煤層接觸時(shí)，反作用力在鎬齒桿上產(chǎn)生了一定的傾覆力，為了抑制傾覆力在鎬齒桿的轉(zhuǎn)角處，也即鎬齒與齒座的相接觸的區(qū)域，產(chǎn)生了應(yīng)力集中。且在工作狀態(tài)下，受到脈沖疲勞載荷的作用，容易在鎬齒桿根部產(chǎn)生疲勞斷裂，結(jié)構(gòu)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的使用壽命具有重要影響。

圖5 由孔接觸應(yīng)力和鎬齒桿應(yīng)力分布情況（Pa）

如下頁(yè)圖5 所示，分別為孔接觸區(qū)域與鎬齒桿應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，從圖中可以得知接觸對(duì)處最大應(yīng)力位于接觸端面上，最大應(yīng)力值為373 MPa。鎬齒桿最大應(yīng)力值為334 MPa，在端面接觸中發(fā)生了旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，此處的應(yīng)力集中情況較為明顯。

5 截割頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)有限元分析計(jì)算的結(jié)果，截割頭各部件強(qiáng)度均滿足了設(shè)計(jì)要求要求，但應(yīng)注意，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。截割頭部件包括支撐座、驅(qū)動(dòng)軸、截割體、鎬齒等組成；支撐座通過螺栓與懸臂實(shí)現(xiàn)連接，鎬齒安裝在齒座上，齒座通過焊接方式連接在截割體上。

根據(jù)截割頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析計(jì)算結(jié)果，為了提高設(shè)備的使用壽命，應(yīng)對(duì)鎬齒桿的臺(tái)階應(yīng)力集中情況進(jìn)行優(yōu)化，臺(tái)階采用圓弧過渡處理；為了防止巖煤灰落入驅(qū)動(dòng)軸，保護(hù)驅(qū)動(dòng)軸，可以增加一個(gè)密封卡環(huán)，提高工作驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

掘進(jìn)機(jī)在煤礦開采中的應(yīng)用極大地提高了煤礦開采效率，但由于其自身結(jié)構(gòu)受力情況復(fù)雜需要對(duì)其主要承力部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，以提高設(shè)備的使用壽命。以EBZ260型掘進(jìn)機(jī)截割頭為研究對(duì)象，主要研究并分析了鎬齒、齒座、鎬齒桿在最惡劣工況下應(yīng)力分布情況。由計(jì)算結(jié)果得知接觸對(duì)處最大應(yīng)力位于接觸端面上，最大應(yīng)力值為373 MPa，但小于材料的屈服強(qiáng)度820 MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。為了提高設(shè)備的使用壽命，對(duì)鎬齒桿的臺(tái)階應(yīng)力集中情況提出優(yōu)化改進(jìn)措施，采用臺(tái)階采用圓弧過渡處理，可以有效降低應(yīng)力集中情況。