不同工況下懸臂式掘進機承載結構性能分析

馬曉文

（晉能控股煤業集團煤峪口礦，山西 大同 037003）

引言

懸臂式掘進機是煤礦巷道掘進的重要設備，懸臂式掘進機的設備施工靈活機動，輔助時間少，便于進行設備的維修及巷道支護[1]，在巷道的綜掘中具有廣泛的應用。由于煤巖復雜多變，巷道地質條件多樣，在懸臂式掘進機進行綜掘的過程中，使掘進機的截割部、回轉臺、油缸等承載結構承受未知的載荷作用，會造成承載結構的強度過大、疲勞失效等問題[2]，對掘進作業造成影響。為提高懸臂式掘進機承載結構在使用過程中的安全可靠性，采用有限元分析的方式對其在不同工況下的應力分布及變形狀態進行分析，從而提高掘進機承載結構的設計水平[3]，保證使用過程中的可靠性，保障巷道掘進的穩定作業。

1 懸臂式掘進機承載結構有限元分析模型的建立

懸臂式掘進機的承載結構主要由截割頭、截割臂、回轉臺及油缸等組成，截割臂包括截割電機減速機、伸縮支臂等[4]。依據掘進機的結構進行承載結構三維模型的建立，得到掘進機的結構模型如圖1所示，將模型導入到有限元分析軟件ANSYS中。對承載結構的材質屬性進行設定[5]，截割頭采用ZG270-500型中碳鑄鋼，截割頭軸采用35CrMo型合金鋼，伸縮支臂采用Q345A型低合金鋼，回轉臺采用ZG35CrMo型鑄鋼，本體支架采用Q235A型低合金鋼。

圖1 懸臂式掘進機結構模型

對掘進機各構件間的接觸進行設定，各個構件間不發生相對運動的設定為綁定接觸，接觸面之間沒有相對的滑移，各個構件間發生相對運動的設定為摩擦接觸[6]，具有非線性的性質，可以對接觸狀態進行準確的描述。由于所建掘進機模型的結構尺寸較大，采用智能劃分網格的形式對承載結構模型進行網格劃分處理[7]，對網格的質量進行無關性檢查。

2 不同工況下懸臂式掘進機承載結構的性能模擬分析

2.1 不同工況的劃分及加載

掘進機在井下的作業環境復雜，截割頭處于極限位置時對承載結構的承載性能要求更高，選取懸臂式掘進機承載結構在危險工況下姿態進行性能分析，不同姿態的調節通過調整驅動油缸的長短實現[8]。選取工況一為截割臂的俯仰角即水平角為0°時的姿態，此時左右油缸的行程相等[9]；選取工況二為掘進機截割頭在下極限位置時的危險工況，此時掘進機的俯仰角達到下極限最大值為-26°，水平角為28°，左回轉油缸的行程達到最大值，升降油缸處于收縮狀態[10]。

對兩種不同工況下掘進機的承載結構進行載荷施加，在兩種惡劣的工況下驅動油缸對結構件施加的作用力達到最大值，依據測定的油壓數值，確定回轉油缸及升降油缸的工作壓力為21 MPa。在工況一時設定右回轉油缸無桿腔的壓力為21 MPa，升降油缸無桿腔壓力為21 MPa；工況二時設定右回轉油缸有桿腔的壓力為21 MPa，升降油缸無桿腔壓力為21 MPa，對承載機構的性能進行分析。

2.2 工況一承載結構的性能分析

依據工況一中的油缸壓力及姿態對掘進機進行加載，對截割頭在極限加載工況下承載結構的整體位移變形及應力進行模擬計算，得到掘進機承載結構的位移變形及應力分布如下頁圖2所示。

從圖2中可以看出，掘進機承載結構整體的最大變形量為26 mm，最大變形位置在截割頭的前部區域，其余位置的位移變形量較小，截割頭和截割臂的整體位移呈現向下、向右位置的變形；掘進機承載結構的最大應力為297.5 MPa，最大應力位于回轉臺的位置處。從承載結構的整體看，截割臂受到的應力作用較小，回轉臺及銷軸連接處的應力相對較大，這是由于在回轉油缸的驅動下，回轉臺動作帶動截割臂變動，升降油缸通過回轉油缸的支撐實現截割臂的上下擺動；截割頭受到的外部載荷作用較大時，通過截割臂及回轉臺將截割頭的作用力傳遞至回轉臺，并通過連接銷軸將作用力傳遞至升降油缸，回轉臺與升降油缸通過銷軸的連接將作用力傳遞出去，回轉臺的中心結構決定其承受的應力作用較大。回轉臺受到的最大應力小于材料的屈服極限510 MPa，能夠滿足工況一的使用要求。

圖2 工況一掘進機整體的性能分析

2.3 工況二承載結構的性能分析

依據工況二中的油缸壓力及姿態對掘進機進行加載，對截割頭在極限加載工況下承載結構的整體位移變形及應力進行模擬計算，得到掘進機承載結構的位移變形及應力分布如圖3所示。

從圖3中可以看出，掘進機承載結構整體的最大變形量為23.2 mm，最大變形位置在截割頭的前部區域，其余位置的位移變形量較小，截割頭和截割臂的整體位移呈現向下、向左位置的變形；掘進機承載結構的最大應力為212.6 MPa，最大應力位于回轉臺與回轉支撐的連接位置處，回轉臺受到的最大應力小于材料的屈服極限510 MPa，能夠滿足工況二的使用要求。回轉臺在截割頭載荷及回轉油缸的推拉載荷作用下，左右兩邊的應力分布呈現不均的狀態，右邊的應力大于左邊的應力。

圖3 工況二掘進機整體的性能分析

對比兩種工況下掘進機承載結構的應力及變形，可以看到各部件受到的最大應力值均小于材料的屈服極限，承載結構不會因一次載荷的過大而產生破壞。對比兩種工況下的應力分布，不同工況下回轉臺的最大應力值隨俯仰角的增加而增加，這說明回轉臺受到的作用力與外載荷及自身的工作姿態相關。對比兩種工況下的位移變形，最大變形均出現在截割頭的前部區域，截割臂俯仰角增大時，承載結構的位移變形也隨之增加，但整體變形量較小，對掘進機的性能使用影響較小。

3 結語

懸臂式掘進機是進行巷道掘進的重要設備，在使用過程中承受井下復雜多變的載荷作用，對掘進機的承載結構性能具有較高的要求。針對懸臂式掘進機的承載結構，選取兩種危險的工況，建立結構模型進行靜態性能的分析。結果表明，在兩種危險工況下承載結構的最大應力均小于材料的屈服極限，回轉臺的應力較大且在不同工況下的應力分布一致，整體最大位移變形位于截割頭的前部區域，且隨著俯仰角的增加而增加，但整體位移變形量對掘進機的性能使用影響較小。掘進機在極限工況下的承載結構的性能滿足系統的使用需求，保證了承載結構的穩定性。