采煤機導向滑靴失效分析與改進優化設計

張偉峰

（霍州煤電集團李雅莊煤礦，山西 霍州 031400）

采煤機作為煤炭生產的關鍵裝備之一，其工作效率是影響煤礦產量及效率的最關鍵因素。導向滑靴為采煤機重要的零部件，導向滑靴滑行在銷軌上使采煤機沿工作面長度方向導向行走，也保持行走輪和銷軌的正常嚙合。導向滑靴和銷軌在上下、左右各方向都留有間隙，間隙的大小是按中部槽連續向一個方向上下彎曲3°或水平方向連續彎曲1°設計的。工作磨損以后，間隙還會增加，間隙太大會影響導向和嚙合，間隙太小會在導向滑靴通過彎曲段時卡死，造成導向滑靴損壞，影響采煤機的正常工作，進而影響煤礦開采效率。

1 采煤機導向滑靴失效分析

李雅莊煤礦屬霍州煤電生產礦井，各綜采工作面主要采用MG400/920-WD 型采煤機進行截割煤體，是一種大功率采煤機。采煤機在井下復雜環境工作過程中，導向滑靴部件會出現不同程度的磨損、消耗甚至無法正常使用的情況。通過對李雅莊煤礦MG400/920-WD 型采煤機在工作過程中的故障統計可知，導向滑靴故障占采煤機總故障的28%，占行走部故障的90%，故障比例非常高。導向滑靴故障導致失效的情況主要有：滑靴側壁斷裂、裂紋擴散、嚴重磨損，而滑靴斷裂是導向滑靴失效的主要表現形式。

統計結果表明，李雅莊煤礦MG400/920-WD 型采煤機導向滑靴故障的維修和更換難度較大，每次故障停機處理的時間為6 h 左右，嚴重影響到采煤機的工作時間和工作效率，必須對采煤機導向滑靴失效問題高度重視，并采取針對性的優化措施[1-6]，保障采煤機的工作時間和工作效率。

2 采煤機導向滑靴強度分析

2.1 三維模型建立

結合MG400/920-WD 型采煤機導向滑靴結構尺寸，運用SolidWorks 三維建模軟件完成對導向滑靴三維模型。采用ANSYS Workbench 模塊對其進行有限元分析。

2.2 有限元模型的建立

將采煤機導向滑靴的三維模型導入ANSYS Workbench 有限元分析軟件中進行材料參數設置，進行工程仿真分析。該導向滑靴使用的是ZG35CrMnSi 低合金鑄造調質鋼材料，材料密度7800 kg/m3，材彈性模量為200 GPa，抗拉強度980 MPa，泊松比為0.29，屈服強度為835 MPa。對該導向滑靴材料進行網格劃分，如圖1。

圖1 導向滑靴仿真計算模型示意圖

2.3 約束與載荷設置

根據MG400/920-WD 型采煤機前后導向滑靴實際工作情況可知，前導向滑靴在y方向上（垂直方向）的受力最大值為-164 kN，在z 方向上（踩踏側方向）的受力最大值為-130 kN；后導向滑靴在y方向上（垂直方向）的受力最大值為164 kN，在z 方向上（踩踏側方向）的受力最大值為270 kN。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 應用分析

啟動ANSYSworkbench 有限元分析軟件，對采煤機前、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。

圖2 前導向滑靴應力分布云圖（Pa）

圖3 后導向滑靴應力分布云圖（Pa）

從圖2 數據可知，采煤機前導向滑靴在踩空側處于銷軸孔的下半圓位置時工作中出現最大應力值為245.9 MPa，位于圖2 中的Max 位置處，最大應力值小于導向滑靴材料最大應力值490 MPa，能有效滿足前導向滑靴的工程要求。

從圖3 數據可知，采煤機后導向滑靴在煤壁側處于銷軸孔的下半圓位置時工作中出現最大應力值為527.8 MPa，位于圖3 中的Max 位置處，最大應力值大于導向滑靴材料最大應力值490 MPa，無法有效滿足后導向滑靴的工程要求，必須改進優化。

3 采煤機后導向滑靴結構改進優化設計

3.1 改進優化方法分析

從采煤機導向滑靴強度分析可知，后導向滑靴在工作過程中應力集中明顯，超過ZG35CrMnSi 低合金鑄造調質鋼材料的最大許用應力值，后導向滑靴在煤壁側的銷軸孔位置區域存在嚴重的斷裂隱患，需要針對性地進行改進優化設計，提高采煤機后導向滑靴工作的安全性和可靠性。

基于采煤機后導向滑靴的實際應用情況，確定了改進優化設計方案：（1）將銷軸孔耳板厚度尺寸在原基礎上增加15 mm；（2）將銷軸孔的倒角尺寸在原基礎上增加2 mm。

3.2 改進優化結果分析

將銷軸孔耳板厚度和倒角尺寸大小改進優化設計后的后導向滑靴按上述方法重新建立三維模型，并進行強度分析，應力分布云圖如圖4。

圖4 改進優化設計后的后導向滑靴應力分布云圖（Pa）

從圖4 數據可知，改進優化設計后的采煤機后導向滑靴在工作中出現的最大應力值為442.6 MPa，位于圖4 中的Max 位置處，比之前降低了85.2852 MPa。最大應力值小于導向滑靴材料最大應力值490 MPa，此時能有效滿足后導向滑靴的工程要求。采煤機后導向滑靴的改造優化設計有效提高了后導向滑靴的結構強度，取得了預期效果。

4 應用效果分析

后導向滑靴按上述改進優化設計方案進行加工制備后，在MG400/920-WD 型采煤機上進行了安裝調試，并投入到實際應用中。從2020 年10 月截至2021 年9 月，已對改進后的后導向滑靴在李雅莊煤礦MG400/920-WD 型采煤機中應用情況進行了長達一年的效果觀察。觀察結果表明：改進后的后導向滑靴在MG400/920-WD 型采煤機中的應用可靠穩定，滿足采煤機截割煤體作業的要求；采煤機工作效率提高近12%；導向滑靴零部件的使用壽命提高2.5 倍；工作面停工時間降低22%。該項目的改造應用預計一年內為煤礦創造經濟效益約180 萬元。