掘進機截割部伸縮臂軸套的受力分析及優化

白曉棟

（晉能控股煤業集團永定莊煤業公司機掘三隊， 山西 大同 037000）

引言

掘進機是煤礦開采中非常重要的機電裝備，截割部是掘進機中的重要組成部分，而伸縮臂是截割部中重要的承力結構件。煤礦開采環境復雜，掘進機運行時經常會承受較大的沖擊載荷，導致設備發生明顯的振動，進而影響伸縮臂運行的穩定性。伸縮臂中包含有軸套結構，工作時需要承受一定的應力載荷，且呈現出周期性的特點，所以容易出現缺陷問題。基于此，有必要對伸縮臂中的軸套結構的受力情況進行分析，并基于分析結果提出優化改進措施，以提升軸套結構的使用壽命，為整個截割部的穩定運行奠定堅實的基礎。本文以EBH360 型懸臂式掘進機為例，對截割部伸縮臂中的軸套結構進行受力分析和優化改進，取得了良好的應用效果。

1 截割部伸縮臂概述

以EBH360 型懸臂式掘進機為研究對象。掘進機內部包含很多結構件和機電系統，其中截割部是掘進機中非常重要和關鍵的結構件，掘進機主要利用截割部對煤巖進行截割以獲得煤塊。截割部內部也包含有很多個結構件，比如截割頭、截割電機、減速器、伸縮臂、蓋板以及后連接座等。掘進機工作時需要利用回轉平臺對截割部的位置進行調整，截割部內部也設置有伸縮臂，作用是配合回轉平臺實現截割臂角度和位置的精確調整，以適應不同的工作環境，根據實際需要將截割頭控制到指定的位置，工作過程中會承受周期性的較高的載荷。

如圖1 所示為截割部伸縮臂的截面示意圖。由圖1 示意圖可以看出，軸套的作用是實現不同零件之間的相對滑動，所以其在工作時會與其他零件之間發生擠壓作用并產生很大的摩擦力，特別容易產生應力集中問題，導致軸套發生損傷破壞，縮短軸套結構件的使用壽命。

圖1 截割部伸縮臂的截面示意圖

2 伸縮臂的有限元模型

2.1 三維幾何建模

利用Pro/E 軟件建立伸縮臂的三維幾何模型，對伸縮臂內的軸套結構進行受力分析。建模過程中對結構中很小的倒角、倒圓及螺紋孔等作簡化處理，此舉能在不影響最終計算結果的前提下提升建模效率、縮短模型計算時間。完成三維幾何建模工作后，需要將其導出為.igs格式，以便導入ANSYS軟件中進行后續建模。

2.2 有限元建模

在Ansys 軟件中需要對幾何模型進行有限元網格劃分。考慮到本研究重點需要對軸套進行分析，所以采用非均勻化網格劃分方式。對軸套結構采用較細小的網格，對其他結構件采用較粗大的網格，這樣既確保獲得較精確的結果，又縮短了模型計算時間。最終劃分得到的網格單元和節點數量分別為23 249 和26 939 個。之后進行材料屬性設置，軸套使用的材料為ZCuAl10Fe3，對應的楊氏模量和泊松比分別為103 GPa 和0.3，屈服強度和抗拉強度分別為180 MPa 和490 MPa；伸縮外筒和法蘭的材料為ZG35CrMo，其彈性模量、泊松比和屈服強度分別為206 GPa、0.3 和510 MPa；后座板的材料為ZG270-500，彈性模量、泊松比和屈服強度分別為202 GPa、0.3 和270 MPa。在邊界條件方面，將伸縮臂的整體質量設置為232.884 kN，回轉力矩、進給力和橫向力大小分別設置為149.48 kN·m、600 kN 和197.39 kN，讓伸縮臂處于水平狀態。如圖2 所示為伸縮臂整體的有限元模型。

圖2 伸縮臂整體的有限元模型

3 軸套的受力結果分析與討論

3.1 受力結果分析

在ANSYS 軟件中建立好掘進機截割部伸縮臂的有限元模型以后，即可對模型進行計算分析，然后提取計算結果。由于本研究只關注伸縮臂中軸套的受力情況，因此只提取了軸套的分析結果，如圖3 所示為伸縮臂軸套的應力分布云圖，描述的是軸套在工作過程中不同部位的受力情況。由圖3 可知，軸套工作時不同部位的受力情況呈現出明顯的不均勻性，絕大部分部位承受的作用力相對較小，均在50 MPa 以下。只有很小一部分區域出現了應力集中現象，且應力集中現象非常顯著，出現應力集中的位置主要集中在缺口邊角，應力集中的最大值為154 MPa。

圖3 伸縮臂軸套的受力（Pa）結果

3.2 存在的問題探討

一般情況下軸套的生產制作材料為ZcuAl10Fe3，此材料的屈服強度大小為180 MPa。根據金屬結構件工作時的安全系數計算公式：

式中：n 為安全系數；σs和σ 分別為金屬材料的屈服強度以及結構件工作時承受的最大應力值。基于此可以計算得到伸縮臂軸套在工作時的安全系數只有1.16。根據機械設計中的基本要求，對于軸套這種比較關鍵的零部件，安全系數通常需要在1.5 以上。實際安全系數相對偏小，再加上軸套工作時需要承受周期性的載荷，容易發生疲勞損傷，最終出現裂紋。綜上，伸縮臂軸套工作時在缺口邊角部位容易出現缺陷問題，影響伸縮臂整體運行的穩定性和可靠性。

4 軸套優化改進方案及效果分析

4.1 優化改進方案

基于以上分析可知伸縮臂軸套工作時缺口邊角部位容易出現缺陷問題，需要對該位置的結構進行優化改進。缺口邊角部位出現應力集中的原因在于此部位處于懸臂狀態。可以結合實際情況取消軸套的開口設計，將其設計成一個完整圓形。

4.2 優化后的受力分析

根據優化改進后的軸套結構尺寸，再次利用ANSYS 軟件建立伸縮臂整體的有限元模型，建模過程中所有其他的參數均與原模型完全相同。完成計算工作后可以提取得到軸套結構的受力分布結果。如圖4 所示為優化改進后伸縮臂軸套的應力分布云圖。由圖4可知，軸套的應力分布整體上呈現出明顯的不均勻性，只有局部位置出現了一定的應力集中現象，絕大部分位置的應力值相對較小，最大應力值出現在軸套邊部位置，只有74.6 MPa。與優化改進前軸套的最大應力值相比較而言，降低幅度達到了51.56%。根據相關理論可以計算得到優化改進后軸套的安全系數值，結果為2.4，意味著軸套結構在正常工作時具有很高的安全系數，可以保障運行時的穩定性和可靠性。

圖4 優化后軸套的受力（Pa）結果

將優化改進后的軸套結構部署到EBH360 型懸臂式掘進機工程實踐中，經過長時間的現場測試，發現軸套結構能夠穩定可靠運行，驗證了優化改進方案的科學性與合理性。初步分析認為，通過對軸套結構的優化改進，能使結構件的使用壽命提升15%以上，為懸臂式掘進機的整體穩定運行奠定了良好的基礎，取得了良好的經濟效益。

5 結論

以EBH360 型懸臂式掘進機為對象，利用Pro/E和ANSYS 軟件建立了伸縮臂的有限元模型，在對其受力情況進行分析的基礎上對結構進行了優化。受力分析發現軸套結構在缺口邊角部位出現了明顯的應力集中現象，最大應力值達到了154 MPa。使得結構的安全系數只有1.16，低于行業規范要求的1.5 以上。基于此將軸套的開口設計修改成為封閉結構，再次進行分析發現結構的最大應力值降低到了74.6 MPa，降低幅度達到了51.56%，安全系數值提升到了2.4。將優化后的軸套結構部署到掘進機工程實踐中，使得軸套結構的使用壽命提升了15%以上，為相關企業創造了良好的經濟效益。