基于ABAQUS的EBZ260掘進機切割部結(jié)構(gòu)性能分析

韓 將

（晉能控股煤業(yè)集團晉華宮礦，山西 大同 037000）

引言

煤炭資源是我國主要的能源之一，推動著我國經(jīng)濟及技術(shù)的快速發(fā)展。為提高對煤礦的開采量及效率，各類煤礦開采設(shè)備被廣泛應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域。礦用掘進機作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，保證其設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)具有較高的結(jié)構(gòu)性能至關(guān)重要，而EBZ260型掘進機則是煤礦中應(yīng)用較為普遍的設(shè)備[1]。由于井下環(huán)境的惡劣性，煤礦開采中經(jīng)常會遇到不同硬度的煤層硬度，加上外界會有落煤沖擊掘進機，導(dǎo)致掘進機中的切割部結(jié)構(gòu)在使用中極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)局部開裂及斷裂現(xiàn)象。一旦切割部出現(xiàn)了失效現(xiàn)象，將導(dǎo)致整個掘進機處于停機狀態(tài)，加上單個井下開采作業(yè)屬于一條產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，這將使得整個井下的煤礦開采出現(xiàn)癱瘓現(xiàn)象，這將嚴重影響著煤礦的開采量及效率[2]。掌握掘進機中切割部在使用過程中的薄弱部位，提高其結(jié)構(gòu)性能顯示十分必要。為此，在分析EBZ260掘進機結(jié)構(gòu)特點基礎(chǔ)上，利用ABAQUS 軟件開展了掘進機中切割部的結(jié)構(gòu)性能研究，并提出了切割部的結(jié)構(gòu)改進措施，這對提高掘進機的作業(yè)效率及安全性具有重要意義。

1 掘進機結(jié)構(gòu)特點分析

掘進機作為煤礦開采中的重要設(shè)備，根據(jù)掘進機的布局方式不同，可將其分為橫軸式和縱軸式類型，根據(jù)巷道中單軸的抗壓強度的不同，可將其分為半煤巖和硬巖型掘進機，但其結(jié)構(gòu)組成基本相同[3]。EBZ260型掘進機結(jié)構(gòu)主要由切割部、行走部、主體、回轉(zhuǎn)臺、截割頭、裝運部、后支撐部、水路系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等幾大部分組成。與傳統(tǒng)的掘進機相比，該型號掘進機的最大高度不超過1.5 m，其機身相對較矮，能實現(xiàn)對井下1.8 m的巷道條件的煤礦掘進作業(yè)，有效提高了出煤質(zhì)量及掘進效率[4]。

切割部作為該型號中的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量達到了6.5 t，升降油缸的工作壓力最大在22 MPa 范圍內(nèi)，升降油缸直徑在180 mm 范圍內(nèi)，工作行程可達到450 mm，主要負責(zé)對工作面中的破落煤巖作用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括了切割頭、切割臂、減速機、工作臂等部件，具有單刀工作力大，切割穩(wěn)定性好等特點[5]，主要利用160 kW的切割電機和二級行星傳動方式進行切割。但由于井下環(huán)境的惡劣性，導(dǎo)致切割部在使用過程中出現(xiàn)了局部區(qū)域變形、局部開裂及斷裂等失效現(xiàn)象，整體結(jié)構(gòu)強度存在一定的薄弱區(qū)域。因此，掌握切割部的受力變化規(guī)律，找到其結(jié)構(gòu)的薄弱部位，有針對性地開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進設(shè)計顯得十分必要。

2 掘進機切割部模型建立

2.1 三維模型

采用PROE 軟件，對切割部進行了三維模型建立。在軟件中，主要切割部中減速機軸承座、減速機臂、切割臂、液壓油缸等部件進行了模型建立，并對模型中所涉及到的圓角、倒角、較小圓孔等非關(guān)鍵特征進行了模型簡化，連接螺栓及銷軸等進行了部件省略，僅保留了切割部上的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及特征，以提高切割部的分析精度及速度，其三維模型如圖1 所示。

圖1 采煤機切割部三維模型

2.2 仿真模型

結(jié)合建立的切割部三維模型，將其保存為x-t 格式后，導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，對其進行了仿真模型建立。由于切割部在實際使用中主要采用了Q345材料，故在軟件中，將切割部的材料屬性賦予了Q345 材料[6]，其材料的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。同時，對切割部中各部件之間接觸設(shè)置為無穿透式接觸設(shè)置。根據(jù)切割部的結(jié)構(gòu)尺寸，采用了實體單元模型，四面體網(wǎng)格類型，對其結(jié)構(gòu)進行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為15 mm，局部區(qū)域進行了網(wǎng)格加密，劃分后的單元數(shù)量為652 456 個，如圖2 所示。另外，對模型中減速器軸承座上施加了32 220 N·m 扭矩，并對切割臂質(zhì)心處設(shè)置向下的65 kN的向下載荷，以模擬切割臂的實際受力情況。

表1 Q345 材料關(guān)鍵參數(shù)

圖2 掘進機切割部網(wǎng)格劃分圖

3 采煤機切割部結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 切割部應(yīng)力變化

結(jié)合前文分析，得到了切割部應(yīng)力變化圖，如圖3 所示。由圖可知，整個切割部整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，部分區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中情況，最大應(yīng)力主要集中在切割部的減速箱臂體及減速箱的軸承座靠中間區(qū)域，減速箱上的支撐座、前端套環(huán)、底部套環(huán)等區(qū)域也出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，切割臂上其余區(qū)域的受力則相對較小。分析其原因：切割部在受到較大扭矩及向下載荷后，由于在其底部受到支撐作用，加上受彎矩作業(yè)，致使了整個結(jié)構(gòu)上的較大應(yīng)力分布區(qū)域較大，切割臂上的減速箱軸承座及臂體成為整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在受到超負荷作業(yè)時，則極容易使得整個結(jié)構(gòu)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，嚴重影響切割部的結(jié)構(gòu)性能。因此，需對切割部進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。

圖3 切割部受力狀態(tài)下的應(yīng)力變化圖

3.2 切割部結(jié)構(gòu)位移變化

結(jié)合所建立的切割部分析模型，得到了其結(jié)構(gòu)的位移變化圖，如圖4 所示。由圖可知，切割不整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，在切割部前端套環(huán)、中間安裝盤、底部套環(huán)及減速箱上的支撐座等區(qū)域均出現(xiàn)了較大程度的結(jié)構(gòu)變形，沿著減速箱軸承座方向，切割部的變形量呈逐漸減少趨勢，整個結(jié)構(gòu)的變形趨勢較為明顯且均勻變化。分析其原因為：切割部前端由于受到煤層的較大沖擊力作用，加上外部其他方向的載荷沖擊及自身結(jié)構(gòu)的受力特點，導(dǎo)致切割部整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象。切割部減速箱上底部套環(huán)及支撐座在使用中極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或失效現(xiàn)象，成為整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，有必要對其進行結(jié)構(gòu)加強設(shè)計。

圖4 切割不使用過程中的結(jié)構(gòu)變形圖

4 切割部結(jié)構(gòu)改進分析

結(jié)合前文分析，得出切割部上減速箱中的前端套環(huán)、支撐座及后端的軸承座均是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在嚴峻作業(yè)條件下極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。故有必要對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，具體如下：

1）提高切割部的材料屬性。可將其材料設(shè)計為屈服強度更高的材料，如Q460 材料，可使其材料的屈服強度由345 MPa 提高至460 MPa，以提高其材料的結(jié)構(gòu)強度及性能；

2）修改結(jié)構(gòu)尺寸。在尺寸運行條件下，將前端套環(huán)厚度增加2 mm，支撐座結(jié)構(gòu)加大，后端的軸承座直徑加大，以從結(jié)構(gòu)角度增加切割部的結(jié)構(gòu)強度；

3）熱處理工藝改進。在軸承座、支撐座及前端套環(huán)加工生產(chǎn)過程中，對其進行調(diào)質(zhì)、淬火的熱處理加工，以提高此些區(qū)域的結(jié)構(gòu)強度，降低結(jié)構(gòu)發(fā)生失效概率；

4）針對結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的較大應(yīng)力區(qū)域，在非受力部位開設(shè)直徑2 mm的圓孔，使得結(jié)構(gòu)上集中的大部分應(yīng)力能轉(zhuǎn)移至小孔處，保證整個結(jié)構(gòu)的受力均勻性，減少結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

5）定期對切割部在使用過程中的結(jié)構(gòu)變形等失效情況進行觀察分析，保證軸承座上的潤滑效果，針對出現(xiàn)的失效問題，應(yīng)及時進行故障排除，以提高切割部的結(jié)構(gòu)強度，降低失效概率。

5 結(jié)論

1）切割部的后端軸承座、前端減速箱上支撐座出現(xiàn)了較大應(yīng)力集中現(xiàn)象，是整個結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象；

2）切割部前端套環(huán)、減速箱上支撐座等等區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形，是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極易發(fā)生結(jié)構(gòu)嚴重變形現(xiàn)象；

3）從材料屬性、結(jié)構(gòu)尺寸、熱處理工藝、應(yīng)力有針對性的開采切割部的結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化，這對切割部的綜合性能具有重要作用；

4）該研究對掌握切割部的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，提高切割部的結(jié)構(gòu)強度及使用壽命具有重要作用。