煤礦用掘進機截割臂軸套結構強度分析與改進

張欣宇

（陽泉市大陽泉煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

引言

煤炭資源作為我國經濟社會發展不可或缺的能源之一，需求量逐年增加，因此對采掘機械的強度要求也越來越高[1]。我國煤炭資源分布不集中，使得各地區煤層的地質條件不盡相同，只有提高掘進機的工作能力才能適應較為復雜的煤層工況[2-4]。某型號掘進機因其較高的掘進效率、較低的能源消耗等優勢取得了較為廣泛的應用，得到了煤炭行業的認可。掘進機的工作環境惡劣，受力狀況多變，工作沖擊載荷較大，加大了掘進機結構部件出現破壞的可能[5]。截割臂作為直接截割煤層的關鍵部件，其工作的可靠性關系著整個掘進機能否安全穩定運行，其中軸套的強度和剛度至關重要[6]。因此對截割臂軸套進行仿真分析，找出應力集中位置進行優化改進具有重要的意義。

1 截割臂組成及工作原理

某型號掘進機為橫軸式掘進機，其組成部件包括截割機構、回轉機構、裝運機構、行走機構、液壓系統、電氣系統等，其中較為關鍵的截割機構包括工作臂、截割頭、截割電動機、截割減速器等部件。截割機構運行時的驅動扭矩來源于交流電動機，經聯軸器傳輸至減速器進行降速增扭，之后驅動截割頭旋轉工作。掘進機截割臂工作時的位姿調整由伸縮缸伸出縮回動作實現，確保煤炭巷道截面的均勻掘進。當煤炭巷道截面煤炭采掘完畢，掘進機行走機構前進，實現煤炭巷道深度方向的掘進，進而完成煤炭巷道掘進采煤。

2 截割臂軸套有限元分析

2.1 三維模型的建立

運用SolidWorks三維建模軟件完成整個截割臂的繪制，因實際的截割臂結構較為復雜，對其三維模型進行了必要的簡化，省去了各個結構部件之間的連接螺栓、各個部件本身的倒角、圓角以及不影響分析結果的螺栓孔等。

2.2 材料屬性設置

將建立完成的截割臂三維模型文件進行另存，保存成ANSYS仿真分析軟件可以直接倒入的.igs文件。在ANSYS仿真軟件中打開截割臂三維模型，對截割臂軸套進行材料屬性設置，其材料屬性參數如表1所示，截割臂其他組成部件的材料屬性設置剛性材料。

表1 截割臂軸套材料力學性能

2.3 網格劃分

網格劃分的質量直接關系著截割臂軸套仿真計算結果的準確性，不僅需要控制單元格類型，還要控制單元格的疏密程度。截割臂單元格類型選擇原則如下：結構簡單的構件選擇solid45單元，結構相對復雜的選擇solid92單元；疏密程度設置時將重點分析對象軸套進行網格細化，以便提高仿真分析結果的準確性。

2.4 載荷施加

根據掘進機截割臂型號和工況，得到截割臂自重為235 kN，運行時回轉力矩最大值為150 kN·m，進給過程中截割臂輸出的最大推進力為600 kN，截割臂橫向移動時輸出的最大橫向力為200 kN，升降時輸出的最大垂直力為155 kN。此處重點分析截割臂橫向運動時軸套的強度，基于此完成截割臂載荷施加。

2.5 仿真結果分析

完成掘進機截割臂有限性仿真分析前處理之后啟動ANSYS仿真計算軟件自帶的分析求解器進行靜強度分析，由仿真分析結果中提取軸套的Von-Mises等效應力分布云圖，如圖1所示。

圖1 軸套應力（Pa）分布云圖

由圖2截割臂軸套應力分布云圖可以看出，軸套缺口邊角位置存在明顯的應力集中現象，最大應力值為154 MPa，除此之外的軸套其他位置的應力值較小，均未超過50 MPa且分布較為均勻。軸套材料型號為ZCuA110Fe3，屈服強度值為180 MPa，應力集中位置的最大應力與其極為接近，計算得到安全系數大小僅為1.16，工作過程中承受較大的沖擊載荷時，軸套邊角位置就存在出現損壞的危險。軸套工作過程中一旦出現損壞，極有可能導致截割臂喪失伸縮功能甚至卡死截割臂，影響掘進機的正常生產，嚴重時可能出現安全事故，給煤炭企業帶來不可估量的經濟損失。

圖2 截割臂軸套應力集中位置

3 改進設計

3.1 改進方案

由截割臂靜強度分析結果得到軸套缺口邊角位置工作時存在損壞的可能，具體位置見圖2，為了提高其工作可靠性，必須進行改進設計。目前結構件應力集中問題改進措施眾多，如增大結構件尺寸、更換強度更好的材料、優化結構件熱處理工藝等。結合截割臂軸套應力集中現象、改進的技術難度和成本等情況，擬將截割臂軸套缺口減小2 mm，該改進方案既不影響截割臂的整體結構尺寸，又不影響軸套的正常安裝使用，改進難度較小，具有很好的可行性。

3.2 改進結果

對改進之后的截割臂軸套進行三維模型的修改完善，之后重新導入ANSYS有限元仿真計算軟件進行前處理，參數設置過程和數值均與軸套改進之前一致，以便實現結構改進前后的對比。啟動ANSYS仿真軟件自帶求解器進行改進軸套靜強度分析，提取改進軸套的Von-Mises等效應力分布云圖，如圖3所示。由圖3仿真分析結果可以看出，改進軸套的最大應力值為74 MPa，位置依然出現在軸套缺口邊角位置，結合材料的屈服強度值180 MPa計算得出改進軸套的安全系數為2.4，足以滿足截割臂的工作需要。

圖3 改進軸套應力（MPa）分布云圖

提取改進軸套的等效位移分布云圖，如圖4所示，由圖4可以看出，相對于全局坐標系，改進軸套的最大位移值為5.432 mm，最小位移值為4.55 mm，最大位移量與最小位移量之間的差值僅為0.9 mm。改進軸套工作過程中的位移量變化較小，足以滿足截割臂工作時的剛度要求，由此可見截割臂軸套改進有效，具有很好的工程實用性，保證了截割臂對于軸套的強度和剛度要求。

圖4 改進軸套位移（mm）分布云圖

4 應用效果評價

為了驗證截割臂改進設計的合理性和仿真計算結果的準確性，將改進截割臂軸套三維模型轉化為工程圖進行加工制造，之后將其應用于某型號截割機中進行應用。結果表明，改進軸套工作穩定可靠，提高了掘進機承受水平載荷的能力。據統計，相較于原截割臂軸套結構，改進軸套相同時間內磨損量降低近10%，預計提高軸套8%~12%的使用壽命，減少了掘進機因軸套故障而導致的停機時間，取得了很好的應用效果。