采煤機行走部導(dǎo)向滑靴中部撕裂問題分析與改進

李 峰

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團臺頭前灣煤業(yè)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

引言

煤炭作為生產(chǎn)和生活必不可少的能源之一，近年來的需求量不斷提升，極大地推動了煤炭企業(yè)的發(fā)展[1]。煤炭掘進關(guān)鍵設(shè)備為采煤機，煤炭產(chǎn)量劇增對其工作的可靠性提出了更高的要求[2]。行走部作為采煤機的重要組成部分，是其行走運動的主要動力來源，也是服役條件較為苛刻的部件[3]。行走部中的導(dǎo)向滑靴是實現(xiàn)采煤機沿規(guī)定軌道行走的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)件，其不僅會受到較大的重力作用，還會受到采煤機截割煤過程中較大的側(cè)向力，復(fù)雜的受力狀態(tài)使其工作過程中極易出現(xiàn)撕裂破壞故障，影響采煤機的正常工作，限制了煤炭企業(yè)產(chǎn)能和采煤的效率，必須引起高度重視[4-6]。針對某煤炭企業(yè)采煤機行走部導(dǎo)向滑靴中部撕裂問題，開展了撕裂問題分析，提出合理改進策略，對于提高采煤機掘進工作的可靠性具有重要意義。

1 導(dǎo)向滑靴中部撕裂問題的原因

采煤機導(dǎo)向滑靴出現(xiàn)了中部撕裂問題，導(dǎo)致了采煤機不能正常掘進，使煤炭掘進人員停工，降低了企業(yè)煤炭產(chǎn)量。為了弄清楚導(dǎo)向滑靴出現(xiàn)中部撕裂問題的原因，企業(yè)相關(guān)技術(shù)人員展開討論，大家一致認(rèn)為是行走輪與銷排正常嚙合行走是導(dǎo)向滑靴保證的，使的導(dǎo)向滑靴的受力極為復(fù)雜，與此同時，導(dǎo)向滑靴服役環(huán)境條件極差，導(dǎo)致了行走部導(dǎo)向滑靴出現(xiàn)了中部撕裂故障。可以看出，技術(shù)人員分析得到的導(dǎo)向滑靴中部撕裂問題原因是定性的，并未直觀地指出中部撕裂問題的原因，因此，筆者擬采用有限元仿真分析技術(shù)，研究得到導(dǎo)向滑靴出現(xiàn)中部撕裂問題的原因，以便提出合理化的建議指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)和改進。

2 有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

導(dǎo)向滑靴進行有限元仿真之前需要建立三維模型，此處選擇SolidWorks軟件完成了導(dǎo)向滑靴三維模型建立，為了提高三維模型導(dǎo)入ANSYS仿真計算軟件中的成功率和計算效率，對導(dǎo)向滑靴中不影響計算結(jié)果的特征進行了簡化，包括倒角、圓角、螺紋孔等。

2.2 材料屬性設(shè)置

將導(dǎo)向滑靴三維模型導(dǎo)入ANSYS仿真計算軟件之后進行材料屬性設(shè)置，其中導(dǎo)向滑靴的材料牌號為ZG35CrMnSi，具體材料屬性數(shù)值如下：彈性模量數(shù)值為200 GPa，泊松比數(shù)值為0.3，抗拉強度數(shù)值為980 MPa，屈服強度數(shù)值為835 MPa。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接關(guān)系導(dǎo)向滑靴的仿真計算結(jié)果，此處選擇四面體單元格類型，為了提高計算精度，對導(dǎo)向滑靴與銷排齒軌的接觸面進行了網(wǎng)格細(xì)化，其他位置選擇默認(rèn)設(shè)置，啟動ANSYS仿真軟件網(wǎng)格劃分功能，完成了導(dǎo)向滑靴網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖1所示。

圖1 有限元仿真模型

2.4 約束與加載

根據(jù)采煤機實際工作情況，確定導(dǎo)向滑靴仿真分析最惡劣的工況為正常截割煤層無傾角時，此工況為采煤機滾筒截齒吃滿刀狀態(tài)，導(dǎo)向滑靴處于受力狀態(tài)下只能是接觸面中的兩個面在受力。基于上述工況計算導(dǎo)向滑靴的支撐力為103.3 kN，側(cè)向力數(shù)值為251.6 kN，分別施加于有限元模型，將兩銷軸孔完全約束。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真結(jié)果

完成導(dǎo)向滑靴有限元仿真分析前處理工作，包括網(wǎng)格劃分、材料屬性設(shè)置、約束和載荷施加等，之后啟動ANSYS仿真計算軟件自帶求解器進行仿真計算，計算完成之后，進行仿真后處理，提取導(dǎo)向滑靴的等效應(yīng)力分布云圖和變形分布云圖，分別如圖2和圖3所示。

圖2 等效應(yīng)力（MPa）分布云圖

圖3 變形（mm）分布云圖

3.2 仿真結(jié)果分析

由圖2采煤機行走部導(dǎo)向滑靴仿真計算得到的等效應(yīng)力可以看出，導(dǎo)向滑靴最惡劣工況下工作時所受的最大應(yīng)力數(shù)值為349.1 MPa，位于導(dǎo)向滑靴的左鉸耳與中部板連接處，應(yīng)力集中較為明顯的位置時右鉸耳與中部板連接處和鉸耳的下圓角處。相較于導(dǎo)向滑靴制備材料ZG35CrMnSi的許用應(yīng)力490 MPa，最大應(yīng)力與之較為接近，若其使用過程中出現(xiàn)較大的側(cè)向力極有可能導(dǎo)致導(dǎo)向滑靴中部出現(xiàn)撕裂故障，這與實際使用過程中導(dǎo)向滑靴出現(xiàn)中部撕裂的問題一致，可見，右鉸耳與中部板連接處和鉸耳的下圓角處應(yīng)力較為集中是導(dǎo)致導(dǎo)向滑靴中部撕裂的主要原因。

由圖3導(dǎo)向滑靴變形的計算結(jié)果可以看出，導(dǎo)向滑靴工作過程中的最大變形數(shù)值為0.619 mm，最大變形出現(xiàn)在導(dǎo)鉤下端，除此之外的其他位置的變形較為均勻，總體來說變形量不大，能夠滿足導(dǎo)向滑靴的使用要求。

4 優(yōu)化改進

針對導(dǎo)向滑靴實際使用過程中出現(xiàn)中部撕裂的問題，結(jié)合有限元仿真分析得到的原因，對當(dāng)前使用的導(dǎo)向滑靴提出如下改進意見：將兩個鉸耳與中部板兩節(jié)位置的過渡圓角半徑增大，同時也將鉸耳孔位置的圓角增大，這樣可以降低導(dǎo)向滑靴的局部應(yīng)力集中情況；將導(dǎo)向滑靴的中部板和導(dǎo)鉤的厚度數(shù)值提高，以便增加導(dǎo)向滑靴的整體結(jié)構(gòu)強度，防止再次出現(xiàn)中部撕裂問題；在導(dǎo)向滑靴與齒軌的四個接觸面上焊接具有較好耐磨性能的材料，降低其使用過程中的磨損速度，延長導(dǎo)向滑靴使用壽命。結(jié)合導(dǎo)向滑靴的改進難易程度，確定采用第一種改進方法重新制備導(dǎo)向滑靴，將兩個鉸耳與中部板兩節(jié)位置的過渡圓角半徑在原有基礎(chǔ)上增加1.5 mm，鉸耳孔位置的圓角半徑在原有基礎(chǔ)上增加1 mm。

5 改進效果分析

為了驗證導(dǎo)向滑靴的改進效果，重新建立三維模型，導(dǎo)入ANSYS仿真計算軟件進行前處理，設(shè)置參數(shù)與改進前一致。完成仿真前處理之后啟動軟件自帶求解器進行仿真計算，提取改進導(dǎo)向滑靴的應(yīng)力分布云圖，結(jié)果表明，改進后導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力數(shù)值為306.5 MPa，相較于改進之前降低了42.6 MPa，相較于導(dǎo)向滑靴制備材料的許用應(yīng)力490 MPa，具有足夠的安全裕度，取得了很好的改進效果，能夠很好地改善導(dǎo)向滑靴出現(xiàn)中部撕裂故障的問題。

6 結(jié)語

導(dǎo)向滑靴作為采煤機行走部的重要組成部分，其工作的可靠性至關(guān)重要。針對某煤炭企業(yè)采煤機行走部導(dǎo)向滑靴中部撕裂問題，開展了撕裂問題仿真分析工作，結(jié)果表明，右鉸耳與中部板連接處和鉸耳的下圓角處應(yīng)力較為集中是導(dǎo)致導(dǎo)向滑靴中部撕裂的主要原因。通過將兩個鉸耳與中部板兩節(jié)位置的過渡圓角半徑增加1.5 mm和鉸耳孔位置的圓角半徑增加1 mm的方法完成了導(dǎo)向滑靴的改進，結(jié)果表明，改進導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力數(shù)值為306.5 MPa，相較于改進之前降低了42.6 MPa，相較于導(dǎo)向滑靴制備材料的許用應(yīng)力490 MPa，具有足夠的安全裕度。