煤礦用掘進機截割臂后座板強度分析與改進

李建國

（山西晉煤集團臨汾晉牛煤礦投資有限責任公司，山西 臨汾 041000）

引言

近年來隨著煤炭需求量的不斷增加，煤炭掘進工作產量不斷增大，對傳統掘進機的工作可靠性提出了更高的要求[1]。煤礦掘進工作面環境極為惡劣，如潮濕、腐蝕氣體侵蝕、受力情況復雜多變等，對于掘進機結構部件的強度要求較高，一旦出現故障，不僅影響煤炭掘進的產量和效率，嚴重的還會造成事故，給企業帶來不可估量的損失[2-4]。截割臂作為掘進機實現掘進功能的關鍵部件，其工作的安全性問題至關重要，尤其是其后座板，現已引起了各界的關注[5-6]。因此針對某煤炭企業服役掘進機對截割臂可靠性要求較高的現狀，以截割臂后座板為研究對象，借助ANSYS 有限元仿真分析軟件，開展掘進機截割臂后座板強度分析與改進工作具有重要的意義。

1 煤炭截割原理概述

掘進機作為煤炭采掘工作中極為關鍵的重型設備，隨著煤炭需求量的增加，對其應用需求越來越多。目前應用較為廣泛的掘進機多為橫軸式結構，主要由截割機構、回轉機構、裝運機構、行走機構和電氣輔助機構組成。截割機構作為掘進機直接進行煤炭采掘的關鍵部件，其工作可靠性要求最高，也是經常出現故障的部件。截割機構主要由工作臂、截割頭、電動機、減速器等組成，工作原理如下：電動機輸出的扭矩經過聯軸器輸入減速器，完成降速增扭之后輸送至截割頭驅動其連續轉動；截割臂工作過程中左右動作調整通過液壓系統控制伸縮油缸的動作實現，截割頭的前進動作通過掘進機行走機構向前推進實現，最終實現整個煤炭巷道的均勻開采推進。

2 截割臂后座板有限元分析

2.1 三維模型的建立

為了更真實地模擬截割臂后座板工作情況，仿真分析三維模型建立整個截割臂，因截割臂實際結構極為復雜，建模過程中進行了適當的簡化，忽略了截割臂組成部件的倒角及對分析結果影響不大的連接孔等特征。

2.2 材料屬性設置

將建立完成的截割臂三維模型導入ANSYS 仿真計算軟件即可進行材料屬性的設置，其中與后座板連接的組件設置為剛性材料，后座板根據實際情況設置，材料牌號為ZG270-500，具體材料屬性參數如下：彈性模量為202 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為270 MPa，抗拉強度為500 MPa。

2.3 網格劃分

有限元仿真分析過程中的網格劃分質量至關重要，其中包括兩個主要環節：單元格類型和單元格劃分方法。結合截割臂實際情況，確定其簡單結構選擇solid45 單元，相對復雜的結構選擇solid92 單元，采用自由化分網格的方法完成截割臂整體結構的網格劃分。

2.4 載荷施加與約束設置

該型號掘進機的截割臂自重約為240 kg，工作時的最大回轉力矩高達150 kN·m，截割推進時的最大力為600 kN，水平截割煤炭時的最大力為200 kN，豎直升降時的最大力為155 kN。此處重點分析截割臂后座板是水平最大載荷時的結構強度，僅對截割臂施加最大水平載荷，根據截割臂與掘進機實際連接情況進行截割臂的約束設置。

2.5 仿真結果分析

完成截割臂材料屬性設置、網格劃分、載荷施加和約束設置等工作之后即可啟動ANSYS 軟件內部自帶求解器進行分析計算，提取截割臂后座板仿真計算結果的等效應力如圖1 所示。由圖1 截割臂后座板等效應力分布云圖可以看出，后座板的耳環和銷軸連接位置存在明顯的應力集中現象，最大應力高達302.35 MPa，超出了截割臂后座板材料本身的屈服強度數值270 MPa。因此，截割臂后座板的耳環與銷軸連接位置是其工作運行中的薄弱環節，極有可能出現斷裂事故，必須引起高度重視，需要提出切實可行的改進措施，以便提高其工作的安全性和可靠性。

圖1 截割臂后座板等效應力（MPa）分布云圖

3 改進設計

3.1 改進方案

因截割臂后座板耳環和銷軸連接位置存在明顯的應力集中情況，成為了截割臂后座板工作過程中極易出現斷裂破壞的薄弱環節，有必要進行改進設計。常見的結構改進方法包括增大結構尺寸、更換結構材料等，改進方法的選擇需要堅持簡單易行原則。綜合截割臂后座板實際工況，選擇在不影響截割臂后座板結構安裝的前提下，在原來結構基礎上，耳環與銷軸連接位置兩側各增加0.5 mm的凸臺，以便提高耳環與銷軸連接位置結構強度，具體結構改進的位置如圖2 所示。

圖2 截割臂后座板結構改進位置

3.2 改進結果

增大耳環和銷軸連接位置凸臺結構尺寸之后修改截割臂三維模型，重新啟動ANSYS 仿真計算軟件，前處理過程與改進結構之前一致，保證改進前后的可對比性。啟動ANSYS 軟件求解器進行截割臂后座板分析，提取的后座板分析結果如圖3 和圖4 所示。由圖3 改進截割臂后座板應力分布云圖可以看出，后座板的最大應力數值為260 MPa，相較于改進之前降低了42.35 MPa，改進效果極為明顯，并且低于材料的屈服強度270 MPa，因截割臂后座板工作時載荷變化不大，最大應力數值只要不超過材料的屈服強度基本能夠保證其安全可靠工作。由圖4 截割臂后座板位移云圖可以看出，后座板的最大位移數值為1.7 mm，因掘進機結構尺寸較為龐大，毫米級的工作變形相較于截割臂后座板外形尺寸基本可以忽略不計，不會影響截割臂后座板的工作安全性和可靠性，由此可見，改進工作合理，效果較好。

圖4 改進截割臂后座板位移（mm）分布云圖

4 應用效果評價

為了驗證截割臂后座板改進的仿真計算準確性和應用效果，基于截割臂后座板仿真計算結果，完成了工程圖紙的繪制。將加工制造完成之后的截割臂后座板安裝于某型號掘進機截割機構當中進行應用，跟蹤記錄實際應用情況。結果表明，改進之后的后座板工作可靠，滿足截割臂承受最大水平載荷的要求。相關專業人士統計，改進之后的截割臂后座板的應用，減小了耳環與銷軸連接位置的間隙，確保了截割臂運行的穩定性，后座板使用壽命預計提高近20%～22%，因后座板故障導致的停機時間降低了近15%，預計為企業新增經濟效益近100 萬元/年，取得了很好的應用效果。

5 結論

1）耳環與銷軸連接位置存在應力集中，超出了材料的屈服強度。

2）通過增大0.5 mm 耳環和銷軸連接位置凸臺的方法完成了對截割臂后座板的改進，以改善應力集中情況。

3）應用結果表明，后座板運行穩定可靠，使用壽命提高近20%～22%，因后座板故障導致的停機時間降低了近15%，為企業新增經濟效益近100 萬元/年。