礦用掘進機后架的運行結構強度分析

趙 鑫

（晉能控股煤業(yè)浙能麻家梁煤業(yè)有限責任公司， 山西 朔州 036000）

引言

隨著各煤礦對煤礦資源需求的不斷擴大，國內政府及企業(yè)紛紛加大了對煤礦資源的支持及開采力度，越來越多的煤礦設備被應用到井下煤礦開采中。礦用掘進機主要負責對工作面煤礦的開采作業(yè)，在各大煤礦開采區(qū)域均得到了廣泛應用[1]。但由于井下環(huán)境的惡劣性，掘進機設備在運行時經常出現(xiàn)工作溫度較高、振動劇烈、結構件疲勞失效、電機短路等失效現(xiàn)象，嚴重影響了煤礦的高效開采及工作面的正常運行[2]。其中，后架作為掘進機中的關鍵部件，保證其結構強度及剛度的穩(wěn)定，對提高掘進機的作業(yè)效率至關重要。為此，利用當前成熟的有限元分析技術，開展了對EBZ160A 型掘進機中后架在使用過程中的結構性能研究，找到了其結構存在的薄弱點，提出后架結構改進措施，這對提高后架及掘進機的使用壽命具有重要意義。

1 掘進機及后架結構特點分析

礦用掘進機在井下作業(yè)時主要負責井下煤層的切割作業(yè)，常與采煤機、液壓支架等設備進行配套使用。以EBZ160A 型掘進機中后架為例，其結構主要包括截割機構、行走機構、后架等部分[3]，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)井下1.8 m 巷道條件下的煤礦掘進作業(yè)，有效提高了出煤質量及掘進效率[4]。后支架作為掘進機中的關鍵部件，其結構主要包括連接架、后支架、后架連接板、連接板及泵站支架等部位，其中，后架連接板通過12 顆M24 螺栓與主機架進行連接，電控箱支架與泵站支架則主要通過16顆M20 的螺栓與后支架進行連接[5]，由此實現(xiàn)后支架的相互連接。掘進機作業(yè)時，由于會受到無規(guī)律的較大外界沖擊作用，加上設備的工作時間較長，導致后架在實際使用過程中出現(xiàn)了結構變形嚴重、局部開裂或結構斷裂等失效現(xiàn)象，而后支架一旦出現(xiàn)結構失效，將極可能使支架上的相關設備掉落至地面甚至摔壞[6]。為此，結合后架的實際使用工況，對其結構性能進行綜合分析十分有必要。

2 后架模型建立

2.1 后架三維模型建立

為掌握后架的結構強度及綜合性能，利用Solidworks 軟件建立了掘進機后架的三維模型。根據(jù)EBZ160A 型掘進機中后架的結構特點，所建立的后架模型主要包括連接架、后支架、連接板及泵站支架等部位。為保證后架分析結果的準確性及快速性，并減少誤差，將后架中的非關鍵圓角、倒角、較小螺栓孔等進行了模型簡化，僅保留了后架上的關鍵部件，最終按照1∶1 的模型比例建立了后架的三維模型，如圖1 所示。

圖1 后架三維模型圖

2.2 后架仿真模型建立

將建立的三維模型導入至ABAQUS 軟件中，建立后架的仿真模型。在軟件中，將后架的材料屬性設置為Q235 材料，根據(jù)Q235 材料的性能參數(shù)可知其屈服強度為235 MPa，彈性模量為206 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.28。同時，將后架支架中各部件之間的接觸面進行自由contact 接觸設置，對螺絲連接孔進行固定約束。根據(jù)后架的結構尺寸，對后架結構進行了四面體網格劃分，網格大小為12 mm，并對局部區(qū)域進行了網格加密，劃分后的單元數(shù)量為882 856 個，后架的網格劃分圖如圖2 所示。另外，對后架中的左右電控箱平臺施加14.5 kN 的向下重力載荷，中部泵站支架也設置16 kN 的向下重力，并對后架的前端面進行了tie 全自由的固定約束。由此完成了對后架仿真模型的建立。

圖2 后架網格劃分圖

3 后架使用過程中的結構性能分析

3.1 后架應力變化分析

圖3 為掘進機后架在使用過程中的應力變化圖，通過對應力云圖分析可知：后架整體結構出現(xiàn)了較為明顯的應力集中現(xiàn)象，應力分布不均勻，局部區(qū)域出現(xiàn)了較大的應力集中現(xiàn)象，最大應力出現(xiàn)在中部泵站支架上，后端支架也出現(xiàn)了一定的應力集中現(xiàn)象。后架的其余區(qū)域應力則相對較小。由此，找到了后架的結構強度變化規(guī)律。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因主要為后架受到電控箱及泵站向下的作用力，導致在支架與支架的連接處出現(xiàn)了較大的應力，其余區(qū)域的結構強度相對較好，故未出現(xiàn)明顯的應力。由此可知，后架的中部泵站支架是一個薄弱部位，在使用時需對其進行重點觀察及維護保養(yǎng)。

圖3 后架應力變化圖

3.2 后架結構位移變化分析

圖4 為后架在使用過程中的結構位移變化圖，通過對云圖分析可知，后架整體結構出現(xiàn)了較為明顯的結構位移變化，最大結構變形量出現(xiàn)在作業(yè)電控箱左右支架的后端，沿著支架前端方向，結構變形量呈逐漸減小的變化趨勢。后架的中部泵站支架、前端連接架等區(qū)域基本未出現(xiàn)位移變化。由此可說明后架的左右電控箱支架是整個結構的薄弱部位，特別是支架后端；由于后架在使用時所受到的外界載荷具有不確定性，經常會受到猛烈的不均勻載荷沖擊作用，當后架的軸端上作用力長時間超過其峰值載荷及峰值位移，最終將極易導致其結構出現(xiàn)變形、開裂或斷裂等失效現(xiàn)象，這對后架結構及掘進機設備的安全性構成嚴重威脅，故需對其結構進行優(yōu)化改進研究。

圖4 后架結構位移變化圖

4 后架的結構改進措施

經過分析研究，得出后架的左右電控箱尾端及中部的泵站支架均是整個結構中的薄弱部位，一旦后架處于長時間的超負荷作業(yè)，將極容易導致其結構出現(xiàn)變形、開裂或斷裂等失效現(xiàn)象，這對后架結構及掘進機設備的安全性構成嚴重威脅，故從多個方向提出了后架的結構改進措施，具體如下：

1）針對結構中出現(xiàn)的較大應力區(qū)域，在非受力部位開設直徑2～3 mm 的圓孔，使得中部支架及左右支架上的較大應力能轉移至圓孔的薄弱部位，緩解后架的結構應力集中現(xiàn)象，保證整個結構的受力均勻性；

2）根據(jù)后架的實際使用工況，可考慮將其材料由屈服強度為235 MPa 的Q235 改變?yōu)榍姸葹?45 MPa 的Q345 材料，這將提高后架的支撐性能及結構強度，防止或降低該結構發(fā)生疲勞失效概率；

3）對后架中的左右支架進行結構加固，在左右支架后端添加支撐條及加強板，數(shù)量可根據(jù)結構尺寸進行具體設計，并將左右支架尾端材料厚度增加2 mm，以提高后端的結構強度，減少其結構變形；

4）左右支架整體可采用中部架空及增加支撐的結構模式，既可減輕結構重量，又提高了其結構的抗彎強度；

5）定期對后架關鍵受力部件的結構性能及變形情況進行觀察、巡檢及維護保養(yǎng)，一旦發(fā)現(xiàn)其結構發(fā)生變形并影響到后架的支撐性能時，需及時采取結構加固或其他應急措施，以保證整個結構的作業(yè)安全。

5 結論

1）后架中電控箱尾端及中部的泵站支架均是整個結構中的薄弱部位，一旦后架長時間處于超負荷作業(yè)狀態(tài)，將極容易導致其結構出現(xiàn)變形、開裂或斷裂等失效現(xiàn)象，這對后架結構及掘進機設備的安全性構成嚴重威脅，由此也掌握了后架的結構性能變化規(guī)律。

2）從材料屬性、結構尺寸及應力轉移等方面提出了后架的結構改進措施，這為提高后架的結構性能及使用壽命，及指導掘進機結構的進一步優(yōu)化改進提供了重要參考依據(jù)。