基于ANSYS 對礦用掘進機關鍵部件有限元分析

王和兵

（潞安化工集團余吾煤業有限責任公司， 山西 長治 046100）

引言

煤層具有煤層薄、埋藏深、硬度大等特點，相關特點促使煤層的實際工作條件相對惡劣，對煤礦開采設備的組裝、應用、維護檢修均提出較高的實際要求，使用傳統煤礦開采設備進行煤層開采不僅易出現設備故障問題，還會增加回采和環境治理成本[1-2]。為應對煤層較為惡劣開采環境所設計的煤層掘進機在當前煤礦開采中也有著一定應用，但由于相關技術設備發展起步時間相對較晚，即便是經過多年發展也存在一定技術缺陷。因此，為能夠改進煤層掘進機的整機性能，本文將對煤層掘進機關鍵部件進行有限元分析，并提出設計優化方案，其對于煤層掘進機后續優化發展將有著一定的理論參考價值。

1 EBZ160B煤層掘進機的特點

EBZ160B 煤層掘進機作為一款專門針對煤層采掘所研發的一種重型縱軸式大功能懸臂式掘進機，其可適用于任意斷面形狀的煤層巷道及工程隧道綜采工作。相較于傳統大功率掘進機，EBZ160B 煤層掘進機具有以下特點[3]。

1）在 1.5 m 煤層條件下，EBZ160B 煤層掘進機可減少斷面掘進量和破巖量分別為20%和57%，可有效提高出煤質量，降低掘進開采成本。

2）EBZ160B 煤層掘進機應用我國研發的煤礦井下遙控控制技術，可實現遠程整機遙控，并且操作中對操作手視線干擾更小，更適用于煤層環境下的遠程操控要求。

3）相較于傳統大功能掘進機，EBZ160B 煤層掘進機的整機高度更低，并且在一定程度上保障傳動穩定性和可靠性。同時，可減小開采沖擊，提高切割部可靠性。

4）EBZ160B 煤層掘進機結構更為緊湊合理，適用于煤層巷道的實際要求。

5）EBZ160B 煤層掘進機采用全封閉有效和氣動加油裝置，可有效保障液壓系統清潔性，提高液壓系統使用壽命和使用可靠性，改善井下工作環境，降低設備維護檢修需求。

2 煤層掘進機動力性能建模

2.1 升降切割

EBZ160B 煤層掘進機切割部主要由切割頭、工作臂、切割電機以及切割減速箱等部分共同組成，在實際升降切割過程中，掘進機切割部處于水平位置處的工作狀態如圖1 所示。

圖1 掘進機切割部處于水平位置處的工作狀態（單位：mm）

2.2 回轉切割

EBZ160B 煤層掘進機的切割部固定在掘進機的回轉臺上，并有對稱布置的水平回轉油缸進行回轉推動。當掘進機切割部回轉到初始位置時，實際工作狀態如圖2 所示。

圖2 掘進機切割部回轉到初始狀態時的工作狀態（單位：mm）

2.3 爬坡行走

在EBZ160B 煤層掘進機爬坡新周期，其履帶兩側的液壓馬達會在減速機減速后驅動轉輪轉動，并通過傳動初始履帶梁上側的履帶板和履帶梁前移，而履帶梁下側履帶板則保持不動，在反作用力的推進下，掘進機借助摩擦力開始不斷爬坡行進。

2.4 整機支撐

EBZ160B 煤層掘進機在整機組裝完成后，還需要通過鏟板油缸、后支撐油缸先后支撐起掘進機，進而促使掘進機以整機離地的方式進行履帶懸垂度檢測。通過三維仿真模擬軟件進行煤層掘進機履帶懸垂度檢測過程模型構建。

結合實際情況來看，實際履帶懸垂度檢測中主要采用兩種方法進行整機支撐，其一為先伸出鏟板支撐掘進機前部，然后通過后支撐支撐起后部；其二為通過后支撐支撐起后部，再通過鏟板支撐起前部[5]。

3 基于ANSYS 的煤層掘進機關鍵部件有限元分析

3.1 切割電機

EBZ160B 煤層掘進機切割電機裝配模式有限元模型如圖3 所示，為保障分析效率及精度，將切割電機分為651 668 個單元和1 025 023 個節點。基于圖3開展有限元分析。

圖3 切割電機裝配模式有限元模型

通過有限元分析可知，切割電機裝配模式最大應力點位于切割電機前端筋板弧段區域，最大應力值為428.43 MPa；最大位移點位于切割電機前端減速箱臂體上，最大位移值為8.242 mm。

3.2 板鏟

EBZ160B 煤層掘進機板鏟裝配模式有限元模型如圖4 所示，為保障分析效率及精度，將板鏟分為66 779 個單元和115 673 個節點。基于圖4 開展有限元分析，由于實際分析過程與切割電機有限元分析過程大致相同，以下將直接給出分析結果，后續關鍵部件有限元分析也同樣如此。

圖4 板鏟裝配模式有限元模型

通過有限元分析可知，板鏟裝配模式最大應力點位于板鏟尾部連接孔內側，最大應力值為313.2 MPa；最大位移點位于鏟板左右側鏟板兩側，最大位移值為0.098 5 mm。

3.3 主機架和回轉臺

EBZ160B 煤層掘進機主機架和回轉臺裝配模式有限元模型如圖5 所示，為保障分析效率及精度，將主機架和回轉臺分為467 264 個單元和740 832 個節點。基于圖5 開展有限元分析。

圖5 主機架和回轉臺裝配模式有限元模型

通過有限元分析可知，主機架和回轉臺裝配模式最大應力點位于回轉臺前端下側位置，最大應力值為225.57 MPa；最大位移點位于回轉臺最前端區域，最大位移值為0.632 mm。

3.4 履帶梁

EBZ160B 煤層掘進機履帶梁裝配模式有限元模型如圖6 所示，為保障分析效率及精度，將履帶梁分為82 009 個單元和138 935 個節點。基于圖6 開展有限元分析。

圖6 履帶梁裝配模式有限元模型

通過有限元分析可知，履帶梁裝配模式最大應力點位于履帶梁上行走減速機上側位置，最大應力值為469.35 MPa；最大位移點位于履帶梁上驅動輪上側位置，最大位移值為1.314 mm。

3.5 后架

EBZ160B 煤層掘進機后架裝配模式有限元模型如圖7 所示，為保障分析效率及精度，將后架分為136 305 個單元和223 194 個節點。基于圖7 開展有限元分析。

圖7 后架裝配模式有限元模型

通過有限元分析可知，后架裝配模式最大應力點位于后架兩側支架前端位置，最大應力值為266.35 MPa；最大位移點位置與最大應力點位置保持一致，也處于后架兩側支架前端位置，最大位移值為0.656 mm。

4 煤層掘進機關鍵部件優化及實踐應用

通過有限元分析可知，EBZ160B 煤層掘進機各項參數雖然均符合標準要求，但其中切割電機的位移量相對較大，所以需要對其進行適當優化改進，其他關鍵部件雖然不需要進行較大優化，但也需要實施多次修改和多次分析，最終確保掘進機各部件以及整機結構更為合理可靠。為確認優化后的掘進機整體性能，將優化后掘進機應用于工程實踐，最終發現優化后的煤層掘進機各關鍵部件性能和整機性能均得到進一步提升，可進一步保障生產安全性和生產效率，所以可以在后續煤層掘進機關鍵部件優化中進行參考使用。

5 結語

通過有限元模型分析發現，EBZ160B 煤層掘進機各關鍵部件性能均符合標準要求，但為保障整機結構及性能，仍然需要進行多次優化及分析，進而保證設計方案更為科學合理，提高整機性能的同時，保障EBZ160B 煤層掘進機具體應用時的安全性和使用壽命，綜合提高生產經濟效益。