懸臂式掘進機截割臂軸套結構強度分析及改進研究

牛家興

（霍州煤電集團河津杜家溝煤業有限責任公司，山西 運城 043300）

引言

目前，市面上存在一種工作效率較高、能源消耗較少的掘進機，獲得了一致好評。由于要進行持續不斷的工作并且煤層中存在著大量的雜質，因此掘進機承受的載荷較大并且會存在突變的情況，容易造成整個設備的零部件損毀。截割臂是掘進機的重要零部件，其直接截割煤層，因此截割臂能夠正常工作對于掘進機的穩定性有著重要影響；而軸套又是掘進機的關鍵零部件，需要保證軸套的強度和剛度。本文針對軸套性能的要求進行仿真分析，目的在于找到軸套在工作過程中應力最大處并對該處進行結構改進。

1 截割臂組成及工作原理

本文分析的掘進機屬于橫軸式掘進機，主要零部件有截割機構、回轉機構、裝運機構、液壓系統以及電氣系統等，決定其性能的有工作臂、截割頭、截割電動機以及截割減速器等零部件。工作流程如下：交流電動機提供驅動扭矩，扭矩通過聯軸器和減速裝置傳遞至截割頭處，經過降速增扭后帶動截割頭進行旋轉截割。設備工作過程中位姿由氣缸進行調整，保證開采速率。

2 截割臂軸套有限元分析

2.1 三維模型的建立

本文主要進行應力分析，采用Solid Works 搭建截割臂的三維模型。由于截割臂自身零部件較多，完全進行三維模型的構建較為復雜。分析過程難以進行，在搭建過程中進行適當的簡化，部分結構用較為簡單的形式表示，比如非工作面上的連接件以及工作面上對結果基本無影響的倒角等結構。

2.2 材料屬性設置

模型搭建完畢后保存為.igs 的形式，該形式的模型可以直接導入ANSYS 軟件中進行仿真分析。進行仿真首先要進行材料的設置，本文要分析軸套的應力因此將其余零部件設置為剛性材料即可，軸套的材料以及相關的參數如下表1 所示。

表1 軸套材料主要力學情況

2.3 網格劃分

網格劃分對于仿真結果的準確性有著重要影響，選用適當的單元格進行劃分同時兼顧單元格的劃分程度。對于截割臂劃分單元格使用以下兩種：簡單的以及對結果影響較小的零部件采用solid45 單元，較為復雜的采用solid92 單元；單元格的疏密程度應當保證仿真結果的精度同時兼顧仿真計算過程的效率[1]。

2.4 載荷施加

查詢本文選用的掘進設備的型號以及實際工作環境可得出如下參數：截割臂自重235 kN，工作過程中回轉力矩最大值150 kN·m，進給過程中推進力最大值600 kN，橫向移動時橫向力最大值200 kN，升降時垂直力最大值155 kN。由于軸套的損壞通常出現在橫向移動階段，因此選擇該階段進行強度的分析，將上述參數施加于仿真模型之中。

2.5 仿真結果分析

完成模型導入、材料設置、網格劃分以及參數設置后，使用ANSYS 仿真計算軟件進行靜強度分析，在仿真結果中可得軸套的Von-Mises 等效應力分布云圖，具體結果圖如下頁圖1 所示。

圖1 軸套應力分布云圖

截割臂軸套應力集中于軸套的缺口處，其中最大值為264.73 MPa，非缺口處的應力相對較小，基本處于50 MPa 以下，并且無應力集中情況。根據軸套材料型號查的其屈服強度值為180 MPa，和缺口處的最大應力相差較小，并且工作過程中要求的安全系數為1.16，加上惡劣環境中載荷的突然變化，缺口處存在損壞的風險。軸套的損壞主要影響截割臂的伸縮功能，使得其無法再巷道中正常運行甚至卡死，掘進機也無法工作。增加煤礦開采的成本，嚴重時甚至會威脅工作人員的生命安全。

3 改進設計

3.1 改進方案

根據分析可知最容易出現損壞的地方是軸套的缺口處，為了保證其工作過程中的穩定性，應當進行結構的優化。分析應力集中的原因、改進后的工作性能以及可行性，決定將截割臂軸套缺口減小2 mm 進行結構優化，這樣的改進措施改進難度較小、加工成本較低、能夠滿足改進的需求，是一個可行的方案[2]。

3.2 改進結果

對于模型進行結構改進后重新導入ANSYS 有限元仿真計算軟件之中，為了保證結果的真實性，參數設置和對照組保持一致，使得對比結果更加的真實可靠。進行軸套靜強度分析，得出Von-Mises 等效應力分布圖，如圖2 所示。根據結果不難發現，改進后雖然仍有應力集中現象出現，但是最大應力值降降低了，此時的安全系數為2.4，能夠滿足實際工作需求以及載荷的突變情況。

圖2 改進軸套應力分布云圖

分析改進軸套的等效位移分布云圖，如圖3 所示，以空間坐標系為基礎，改進后的軸套位移值如圖3 所示，二者的差值為0.9 mm。由此可知，改進后的軸套工作過程中位移變化范圍較小，剛度較好，符合實際需求，改進的效果十分顯著，不僅保證了強度、剛度的要求，也適應了實際的工作環境。

圖3 改進后的軸套位移分布云圖

4 應用效果分析

為了驗證仿真結果的準確性以及優化方式的可行性，將優化后的軸套畫出工程圖聯系廠家進行加工，將加工好的零件放入該型號的截割機中進行使用。將使用效果和安裝有原油軸套的截割臂進行對比。根據對比結果不難發現，改進后的軸套顯著提高了截割臂的使用壽命以及工作穩定性。通過數據分析可知，優化后的結構磨損量減小10%左右，軸套壽命提升10%左右，并且工作過程中因為載荷的突變導致故障的情況顯著減少，進一步提升了掘進機的工作效率。