煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性研究

劉芳忠

（冀中能源股份公司東龐礦，河北 邢臺 054201）

1 煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作原理

煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)是一個復(fù)雜的液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的集成，具有零件復(fù)雜、構(gòu)件眾多等特點。如圖1所示，EBZ160 型煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括截割頭、截割臂、回轉(zhuǎn)臺、升降油缸、回轉(zhuǎn)油缸、回轉(zhuǎn)支撐和本體架。截割頭的主要作用是對煤層進(jìn)行削切、破落和破碎；截割臂是支撐截割頭的主要構(gòu)件，并在截割電機(jī)的驅(qū)動下實現(xiàn)截割主軸和截割頭的旋轉(zhuǎn)和扭矩，其制造材料為ZG270-500，密度為7830kg/m3，質(zhì)量為877kg，彈性模量為2.11×105MPa，泊松比為0.311，屈服強度為248MPa；回轉(zhuǎn)臺是推拉油缸式，它將截割部與本體架進(jìn)行連接并實現(xiàn)截割部的左右回轉(zhuǎn)，其制造材料為35CrMo，密度為7870kg/m3，質(zhì)量為7144kg，彈性模量為2.13×105MPa，泊松比為0.286，屈服強度為835MPa；升降油缸是截割部上下擺動的動力來源，可以實現(xiàn)截割部的升降，最大行程可達(dá)到600mm，其制造材料為45CrMo，密度為7890kg/m3，質(zhì)量為260kg，彈性模量為2.09×105MPa，泊松比為0.269，屈服強度為355MPa；回轉(zhuǎn)油缸是截割部左右擺動的動力來源，左右行程最大可以達(dá)到650mm，其制造材料為45CrMo，密度為7890kg/m3，質(zhì)量為260kg，彈性模量為2.09×105MPa，泊松比為0.269，屈服強度為355MPa；回轉(zhuǎn)支撐是連接回轉(zhuǎn)臺和本體架的中間構(gòu)件，可以確?；剞D(zhuǎn)臺與本體架的相對位移，其制造材料為42CrMo，密度為7850kg/m3，質(zhì)量為455kg，彈性模量為2.12×105MPa，泊松比為0.280，屈服強度為930MPa[1]；本體架的制造材料為Q235-A，密度為7860kg/m3，質(zhì)量為4857kg，彈性模量為2.12×105MPa，泊松比為0.288，屈服強度為235MPa[2-4]。

圖1 煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組裝圖和爆炸圖

2 煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)靜力學(xué)特性仿真結(jié)果分析

為了研究煤礦懸臂式掘進(jìn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的受力特征，基于有限元分析軟件ANSYS 的Workbench 模塊建立懸臂式掘進(jìn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的三維模型，如圖1 所示。計算時，各個構(gòu)件的網(wǎng)格劃分采用軟件內(nèi)嵌的網(wǎng)格類型進(jìn)行劃分，零件間的接觸采用Hertz 接觸理論，按軟件內(nèi)部設(shè)定的柔性-柔性接觸計算方式模擬回轉(zhuǎn)臺銷軸的接觸，按最小勢能原理約束整體的接觸邊界。由于煤炭開采時的荷載十分復(fù)雜，隨機(jī)性大，因此需要基于概率性的蒙特卡洛法生成驅(qū)動油缸的荷載，以模擬煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自適應(yīng)工作狀態(tài)，其隨機(jī)生成的過程為先確定載荷數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，提取分布參數(shù)，隨后輸入需要模擬的數(shù)據(jù)個數(shù)n，產(chǎn)生n個符合相應(yīng)分布的隨機(jī)數(shù)[5]。為真實反映截割頭、回轉(zhuǎn)油箱、升降油箱的實際載荷，按照截割頭的極限行程進(jìn)行驅(qū)動油缸荷載生產(chǎn)，極限行程的大小表示截割頭從左極限位置擺動到右極限位置，相應(yīng)地，截割臂也會跟著截割頭的擺動產(chǎn)生伸長和縮短，其水平角從-28°切換到+28°。

基于蒙特卡洛法隨機(jī)生成的驅(qū)動油缸荷載見表1。從表1 可以看出，左回轉(zhuǎn)油缸的拉動荷載和推動荷載的變化為6.1MPa~22.MPa 不等，而升降油缸推動荷載的變化為6.25MPa~12.37MPa。

表1 基于蒙特卡洛法生成的驅(qū)動油缸荷載

工作時，煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割頭在截割電機(jī)的驅(qū)動下呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、擺動的運動軌跡，截割頭、左右回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸產(chǎn)生負(fù)荷，截割頭運動到不同位置時，各個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最不利工程有所不同。因此進(jìn)行數(shù)值模擬計算時需要考慮煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作的3 種最不利工況，分別是工況A——左右回轉(zhuǎn)油缸行程一致，截割臂保持水平；工況B——截割頭擺動到最下位置，左回轉(zhuǎn)油缸行程達(dá)到極限值（655mm），而截割臂的仰角為-26°（負(fù)值表示向下）；工況C——截割頭擺動到最上位置，左回轉(zhuǎn)油缸的形成為零，右回轉(zhuǎn)油缸的行程達(dá)到極限值（655mm），截割臂的仰角為+44°（正值表示向上）。

3 種不同工況條件下懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力仿真計算結(jié)果如表2 和圖2 所示。從圖2 可以看出，工況A 和工況C 的懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力呈現(xiàn)大致相同的變化規(guī)律，工況B 的懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力略有不同。在工況A 和工況C 條件下，回轉(zhuǎn)臺銷軸的最大應(yīng)力出現(xiàn)在1#銷軸，分別為159.19MPa、191.73MPa，其余銷軸的最大應(yīng)力大致相同，左右回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的最大應(yīng)力大致相同，工況A 左右回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的最大應(yīng)力為112.23MPa~128.37MPa，工況C 左右回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的最大應(yīng)力為137.04MPa~145.27MPa。在工況B 條件下，回轉(zhuǎn)臺銷軸的最大應(yīng)力極值出現(xiàn)在2#銷軸、5#銷軸和7#銷軸，分別為138.71MPa、142.17MPa 和134.35MPa，其余銷軸的最大應(yīng)力大致相同，左回轉(zhuǎn)、右回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的最大應(yīng)力依次增大?；剞D(zhuǎn)臺的最大應(yīng)力按工況A、工況B 和工況C 的順序依次增大。

圖2 基于蒙特卡洛法生成的驅(qū)動油缸荷載時程曲線

表2 3 種不同工況下懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力仿真計算結(jié)果

3 煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性仿真結(jié)果分析

煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性仿真分析過程為確定模型自由度和主動件，選取廣義坐標(biāo)，通過運動分析確定廣義速度，隨后求解各個構(gòu)件的動力學(xué)參數(shù)（動能、勢能、驅(qū)動力、速度以及加速度等），最后根據(jù)虛功原理確定廣義力，代入拉格朗日方程得到關(guān)鍵結(jié)構(gòu)運動微分方程[6]。數(shù)值計算采用有限元分析軟件ANSYS 的Mechanial Dynamics 模塊，計算設(shè)定為2 種動力學(xué)工況，分別是非冗余驅(qū)動和冗余驅(qū)動。

非冗余驅(qū)動和冗余驅(qū)動條件下回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的驅(qū)動力仿真計算結(jié)果如圖3、圖4 和表3 所示。從圖4 可以看出，在非冗余驅(qū)動下，添加驅(qū)動力的左回旋油缸和左升降油缸呈隨動狀態(tài)，在400s 內(nèi)呈規(guī)律性的波動，左回旋油缸和左升降油缸驅(qū)動力有2 個周期性的穩(wěn)定波動狀態(tài)，其驅(qū)動力波動范圍分為別為225kN~556kN、-600kN~215kN，左升降油缸動力也有2 個穩(wěn)定的波動狀態(tài)，但其波動范圍進(jìn)一步縮小，驅(qū)動力波動范圍分為別為450kN~556kN、-200kN~0kN。未添加驅(qū)動力的隨動油缸（右回轉(zhuǎn)、右升降油缸）驅(qū)動力均為零。從圖5 可以看出，在冗余驅(qū)動下，左回旋油缸驅(qū)動力和右升降油缸驅(qū)動力均呈隨動狀態(tài)，在400s 內(nèi)呈規(guī)律性的波動且左回旋油缸驅(qū)動力曲線與右升降油缸驅(qū)動力曲線相互間呈鏡像關(guān)系。

圖3 不同工況下懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力曲線

圖4 非冗余驅(qū)動條件下回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的驅(qū)動力變化曲線

圖5 冗余驅(qū)動條件下回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的驅(qū)動力變化曲線

表3 非冗余驅(qū)動和冗余驅(qū)動條件下回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸的驅(qū)動力仿真計算結(jié)果

4 結(jié)論

該文以EBZ160 型煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對象，采用數(shù)值模擬的手段建立三維分析模型，研究3 種最不利工況下懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)特性，分析非冗余驅(qū)動和冗余驅(qū)動下懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性，得出以下幾個結(jié)論：1）工況A 和工況C 的懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力呈現(xiàn)出大致相同的變化規(guī)律，工況B 的懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力略有不同，在工況A 和工況C 條件下，回轉(zhuǎn)臺銷軸的最大應(yīng)力出現(xiàn)在1#銷軸。在工況B 條件下，回轉(zhuǎn)臺銷軸的最大應(yīng)力極值出現(xiàn)在2#銷軸、5#銷軸和7#銷軸，回轉(zhuǎn)臺的最大應(yīng)力按工況A、工況B 和工況C 的順序依次增大。2）在非冗余驅(qū)動下，添加驅(qū)動力的左回旋油缸和左升降油缸呈隨動狀態(tài)，在400s內(nèi)呈規(guī)律性的波動，回旋油缸驅(qū)動力有2 個周期性的穩(wěn)定波動狀態(tài)。在冗余驅(qū)動下，左回旋油缸驅(qū)動力和右升降油缸驅(qū)動力均呈隨動狀態(tài)，在400s 內(nèi)呈規(guī)律性的波動且左回旋油缸驅(qū)動力曲線與右升降油缸驅(qū)動力曲線相互間呈鏡像關(guān)系。