采煤機導向滑靴失效分析與優化設計

王騰飛

（陽泉市南莊煤炭集團有限責任公司，山西 陽泉 045000）

引言

煤炭資源需求量的不斷增加，深部煤礦開采成為未來煤炭企業必將面臨的發展趨勢。采煤機作為煤炭采掘工作的關鍵設備，其工作的可靠性不僅關系著井下作業人員的安全，還與煤炭開采的產量和效率息息相關，必須引起煤礦企業高度重視[1]。導向滑靴作為采煤機的重要組成部件，隨著采掘煤層深度的不斷增加，其所受的載荷不斷增大，對其工作的穩定性提出了較高要求[2-3]。煤炭深層采掘過程中煤壁極易出現片幫問題，造成采煤機需要承受側向力，加快導向滑靴的摩擦磨損，降低導向滑靴的使用壽命[4]。相關研究表明[5-6]，采煤機采掘時導向滑靴失效率較高，導致綜采工作面工作停滯，影響煤炭企業的采煤產量和效率。因此對采煤機導向滑靴強度進行研究具有重要的意義。

1 導向滑靴失效分析

采煤機設計過程中行走機構的水平方向的彎曲角范圍為±10°，垂直方向的彎曲角度范圍為±3°，導向滑靴作為行走機構的關鍵部件，其磨損情況與彎曲角直接相關，磨損量越大，導向滑靴的彎曲角越大。導向滑靴彎曲角增大之后會使導鉤所受的擠壓應力增大，當擠壓應力超過導向滑靴材料的許用應力時就會出現斷裂失效問題。研究表明，采煤機的截割部和行走部極易出現故障，前者約占全部故障的四成，后者約占全部故障的三成，其中行走機構中的導向滑靴故障率最高。通常采煤機導向滑靴更好時間大約需要7 h 左右，并且需要工作面停止生產，不僅降低采煤機的有效工作時間，還會減少煤炭企業的產量，必須引起高度重視。

2 導向滑靴強度分析

2.1 三維模型建立

參照某型號采煤機導向滑靴的結構尺寸圖紙，運用SolidWorks 三維建模軟件完成了導向滑靴三維模型的建立。因其結構較為復雜，為了提高導向滑靴仿真計算的效率，將不影響計算結果的倒角、圓角、螺紋等進行了簡化處理。將建立完成的導向滑靴三維模型另存為.igs 文件，即可倒入ANSYS 仿真計算軟件進行前處理工作。

2.2 添加材料參數及網格劃分

將導向滑靴三維模型倒入ANSYS Workbench 仿真計算軟件進行材料屬性的設置，導向滑靴材料牌號為ZG35CrMnSi，其材料屬性參數如下：彈性模量為200 GPa，抗拉強度為980 MPa，屈服強度為835 MPa，泊松比為0.3。完成導向滑靴材料屬性設置之后進行網格劃分，采用自由劃分方法，選擇四面體單元類型，完成網格劃分得到有限元仿真模型，如圖1 所示。

2.3 添加約束與載荷

根據采煤機導向滑靴實際工作情況，分析得出導向滑靴主要受力為支反力和側向力，導向滑靴在垂直傾角7°、側向傾角10°時的工作狀況最惡劣，對其進行仿真計算得出前導向滑靴垂直方向的最大支反力值為185 kN，指向踩空側方向的最大側向力值為242 kN；后導向滑靴垂直方向的最大支反力值為767 kN，指向踩空側方向的最大側向力值為371 kN，將上述載荷分別施加于采煤機的前、后導向滑靴。對前、后導向滑靴的銷軸孔施加完全約束，模擬其實際工作情況。

2.4 仿真結果分析

完成約束與載荷添加之后即可啟動ANSYS workbench 有限元仿真計算軟件自帶求解器，進行采煤機前、后導向滑靴強度分析，提取前后導向滑靴應力分布云圖，如圖2、圖3 所示。由圖2 采煤機前導向滑靴應力應變分布云圖可以看出，前導向滑靴工作過程中的應力最大值為245.9MPa，出現在前導向滑靴的踩空側，處于銷軸孔的下半圓位置，其值未超過導向滑靴材料的許用應力值490 MPa。由圖3 采煤機后導向滑靴應力分布云圖可以看出，后導向滑靴工作過程中的應力最大值為527.8 MPa，出現在后導向滑靴的煤壁側，處于銷軸孔的下半圓位置，其值超過導向滑靴材料的許用應力值490 MPa，不能滿足導向滑靴的工程要求，需要進行優化改進。

圖2 前導向滑靴應力（Pa）云圖

圖3 后導向滑靴應力（Pa）云圖

3 后導向滑靴結構改進

3.1 改進方法

后導向滑靴工作過程中存在明顯的應力集中情況，超過了材料的許用應力，存在斷裂隱患，位置出現在煤壁側的銷軸孔，需進行改進以便提高導向滑靴的工作可靠性。相關研究表明提高采煤機后導向滑靴強度的方法眾多，比如提高耳板的強度等級、增加銷軸孔的倒角尺寸、改進后導向滑靴的材料、優化后導向滑靴的熱處理工藝等。考慮后導向滑靴的實際應用情況，選擇增加銷軸孔耳板的厚度和倒角尺寸的方法進行優化設計，將耳板厚度尺寸加大15mm，同時將銷軸孔的倒角尺寸加大2 mm。

3.2 改進結果分析

將改進之后的后導向滑靴重新建立三維模型，之后導入ANSYSWorkbench 進行仿真計算，前處理設置參數與改進之前完全一致，以便進行強度對比分析。仿真計算結果如圖4 所示。由圖4 中采煤機改進后導向滑靴的應力應變分布云圖可以看出，其最大應力值為442.6 MPa，相較于改進之前降低了85.2 MPa，并且未超過導向滑靴的許用應力值，滿足導向滑靴工程應用要求，有利于后導向滑靴性能的提高。綜述可以得出提高耳板厚度和銷孔倒角尺寸能夠提高后導向滑靴的結構強度，取得了預期的改進效果。

圖4 后導向滑靴應力（Pa）云圖

4 應用效果分析

為了驗證采煤機后導向滑靴的改進效果，按照優化之后的結構尺寸完成了后導向滑靴的加工制造，將其應用于某型號采煤機進行應用，跟蹤觀察其1 年時間內的應用效果。應用結果表明，改進之后的后導向滑靴應用穩定可靠，能夠滿足采煤機的工作要求。統計結果表明，相較于后導向滑靴改進之前，后導向滑靴的改進，使采煤機的利用率提高了近15%，設備維護維修成本降低了近10%，減少了工作面近10%的停工的時間，預計為企業新增經濟效益200 萬/年，取得了很好的應用效果。