基于ABAQUS的雙滾筒采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴受力分析

魏慧娟

(山西西山煤電股份有限公司 西銘礦,山西　太原　030052)

0　引言

近年來(lái)，為適應(yīng)市場(chǎng)需求，我國(guó)煤炭生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了較大規(guī)模的設(shè)備和技術(shù)升級(jí)，綜采設(shè)備的自動(dòng)化、智能化和煤炭采收率明顯提高。同時(shí)，煤機(jī)制造企業(yè)也在積極開(kāi)發(fā)性能更佳、更符合用戶(hù)需求的煤炭綜采設(shè)備。雙滾筒采煤機(jī)采用銑削式落煤原理，可適應(yīng)不同煤質(zhì)和采高要求，并長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定、連續(xù)工作，因此煤炭產(chǎn)量和工作效率較高，是各大綜采工作面的首選采煤設(shè)備。同時(shí)，由于雙滾筒采煤機(jī)的功能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，因此對(duì)零件的設(shè)計(jì)壽命和工作穩(wěn)定性提出了更高要求。

導(dǎo)向滑靴是采煤機(jī)牽引部的重要組成零件，主要負(fù)責(zé)引導(dǎo)采煤機(jī)的行進(jìn)，并支撐采煤機(jī)自重，防止發(fā)生偏移、脫齒等故障，因此工作負(fù)荷大，是雙滾筒采煤機(jī)中故障發(fā)生率較高的零件之一。為保證導(dǎo)向滑靴具有較好的使用功能和壽命，本文將對(duì)其受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，為導(dǎo)向滑靴的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供參考。

1　雙滾筒采煤機(jī)牽引部組成及功能

如圖1所示，雙滾筒采煤機(jī)牽引部普遍采用銷(xiāo)軌式無(wú)鏈牽引機(jī)構(gòu)，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)齒輪、導(dǎo)向滑靴、行走輪、銷(xiāo)軌排、平滑靴等組成。其中，銷(xiāo)軌排分段安裝固定在中部槽槽幫的軌座上，銷(xiāo)軌排采用分段連續(xù)安裝方式，一方面可為行走輪提供連接不斷的銷(xiāo)排軌道，另一方面可保證銷(xiāo)軌在刮板機(jī)“S”彎處自由過(guò)渡。導(dǎo)向滑靴的內(nèi)腔安裝有驅(qū)動(dòng)齒輪和行走輪，驅(qū)動(dòng)齒輪與減速機(jī)構(gòu)齒輪嚙合，并將動(dòng)力傳遞給同軸的行走輪，行走輪與固定安裝的銷(xiāo)齒嚙合，則行走輪牽引采煤機(jī)一同行進(jìn)；另外，導(dǎo)向滑靴下部的“C”形槽各面與銷(xiāo)軌排的頂部和側(cè)面接觸，可實(shí)現(xiàn)對(duì)行進(jìn)方向的導(dǎo)向和對(duì)采煤機(jī)的支撐。平滑靴在采煤機(jī)靠近煤壁一側(cè)安裝，只發(fā)揮垂直方向的承載作用。

由上述分析可知，牽引部組成零件的損壞將直接影響采煤機(jī)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致停機(jī)故障，給企業(yè)帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)損失。

圖1　雙滾筒采煤機(jī)牽引部的組成

2　導(dǎo)向滑靴的典型結(jié)構(gòu)

導(dǎo)向滑靴的基本功能包括導(dǎo)向和支撐兩個(gè)方面，大功率采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括傳動(dòng)軸安裝孔、齒輪(行走輪和驅(qū)動(dòng)輪)安裝內(nèi)腔、支撐導(dǎo)向槽、出入口導(dǎo)向斜面、跨軌退讓槽等。其中，支撐導(dǎo)向槽呈“C”形，槽頂與銷(xiāo)軌排頂面接觸，主要支撐采煤機(jī)的自重；槽幫與銷(xiāo)軌排側(cè)面接觸，負(fù)責(zé)平衡采煤機(jī)所受的垂直于煤壁方向的壓力；出入口導(dǎo)向斜面的主要功能是防止導(dǎo)向滑靴在行進(jìn)過(guò)程中與銷(xiāo)軌排發(fā)生碰撞沖擊，使銷(xiāo)軌排更順暢地進(jìn)出“C”形導(dǎo)槽；導(dǎo)槽中部的跨軌退讓槽，其主要作用是避免在刮板輸送機(jī)“S”彎處兩條呈一定夾角的銷(xiāo)軌排對(duì)導(dǎo)向滑靴的導(dǎo)向槽產(chǎn)生卡滯，即為兩銷(xiāo)軌排的接合位置提供彎折空間。

3　導(dǎo)向滑靴受力分析

在采煤機(jī)沿煤壁水平行走并截割煤巖的過(guò)程中，導(dǎo)向滑靴的受力如圖3所示，采煤機(jī)自重的一部分通過(guò)傳動(dòng)銷(xiāo)軸傳遞到導(dǎo)向滑靴上，一般認(rèn)為該作用力F1近似等于四分之一的采煤機(jī)自重G。同時(shí)，采煤機(jī)滾筒受到煤壁對(duì)其反作用力，垂直于煤壁方向，通過(guò)采煤機(jī)各連接部分最終傳遞至導(dǎo)向滑靴的外側(cè)壁上，使導(dǎo)向滑靴產(chǎn)生遠(yuǎn)離煤壁的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并與銷(xiāo)軌排側(cè)面壓緊，該作用力F2大小與滾筒上截齒的排布方式和截割參數(shù)相關(guān)，可計(jì)算得出。N1、N2為導(dǎo)向滑靴所受的銷(xiāo)軌排側(cè)面的接觸反力。

圖2大功率采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的典型結(jié)構(gòu)圖3正常工況下的導(dǎo)向滑靴受力分析示意圖

4　有限元模型

為進(jìn)一步研究導(dǎo)向滑靴在以上作用力下的應(yīng)力和應(yīng)變情況，本節(jié)將利用ABAQUS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行受力分析。

4.1　三維模型

導(dǎo)向滑靴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適宜在ABAQUS中進(jìn)行建模，因此選擇UG作為前期建模工具，然后保存為IGS格式文件，再導(dǎo)入ABAQUS中。另外，為真實(shí)再現(xiàn)導(dǎo)向滑靴的受力場(chǎng)景，可在ABAQUS中建立銷(xiāo)軌排的矩形簡(jiǎn)化模型，然后與“C”形導(dǎo)槽進(jìn)行裝配。銷(xiāo)軌排建立為剛體，并設(shè)置參考點(diǎn)。

4.2　邊界條件及載荷

(1) 接觸邊界條件設(shè)定：主要是“C”形導(dǎo)槽頂面和側(cè)面與銷(xiāo)軌排各面的接觸，銷(xiāo)軌排的相應(yīng)接觸面設(shè)為主面，導(dǎo)槽各面設(shè)為從面，相互之間為“硬”接觸。

(2) 位移邊界條件設(shè)定：為防止傳動(dòng)軸孔所在兩側(cè)立面的彎曲變形，需在該側(cè)板內(nèi)面的圓形區(qū)域上限制除橫向位移以外的其余自由度。

(3) 載荷條件：采煤機(jī)自重為48×103kg，則單個(gè)導(dǎo)向滑靴承載為12×104N，以表面分布力(surface traction)的形式作用在兩傳動(dòng)軸孔的下半圓上；采煤機(jī)所受的側(cè)向力為1 ×104N，作用在靠近煤壁的兩處導(dǎo)向滑靴的側(cè)板外表面上。

5　有限元分析結(jié)果

5.1　接觸應(yīng)力

實(shí)際工作狀態(tài)下，隨著采煤機(jī)的行進(jìn)，“C”形槽的頂面和側(cè)面與銷(xiāo)軌排的對(duì)應(yīng)面發(fā)生滑動(dòng)摩擦，“C”形槽內(nèi)表面不斷發(fā)生磨損。槽頂面磨損量過(guò)大時(shí)，容易導(dǎo)致行走輪中心下降，導(dǎo)槽與銷(xiāo)軌排頂面的碰撞概率增大，同時(shí)行走輪輪齒與銷(xiāo)齒的接觸壓力增加，對(duì)行走機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性造成較大影響?！癈”形槽側(cè)面磨損過(guò)大時(shí)，導(dǎo)槽對(duì)輪齒嚙合的導(dǎo)向性降低，容易導(dǎo)致脫離或輪齒折斷。

對(duì)于以上滑動(dòng)摩擦，接觸力越大，則摩擦力越大，因此研究接觸應(yīng)力的分布規(guī)律有助于分析“C”形槽各面的磨損特點(diǎn)。分析得到的滑靴的接觸應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖4可知，槽側(cè)面上半部的接觸應(yīng)力較大，因此磨損嚴(yán)重，可通過(guò)堆焊高性能耐磨材料等措施進(jìn)行加強(qiáng)；另外，槽頂面中部的接觸應(yīng)力也較大，也應(yīng)采取同樣的保護(hù)措施。

5.2　Mises平均塑性應(yīng)力

圖5為滑靴的Mises平均塑性應(yīng)力云圖。由圖5可知，靠近煤壁一側(cè)的側(cè)板下邊緣和“C”形槽上部直角位置都出現(xiàn)了較大的Mises平均塑性應(yīng)力(約200 MPa)，雖然滿足材料的強(qiáng)度要求，且安全系數(shù)較高，但表明這兩處拐角位置存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)，生產(chǎn)實(shí)踐也表明，以上兩位置是導(dǎo)向滑靴上裂紋缺陷萌生和發(fā)展的重點(diǎn)部位。

圖4　滑靴的接觸應(yīng)力云圖

圖5　Mises平均塑性應(yīng)力云圖

針對(duì)這一問(wèn)題，在設(shè)計(jì)和后期維修過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)加大過(guò)渡圓角、及時(shí)修補(bǔ)裂紋缺陷等方法來(lái)提高導(dǎo)向滑靴的使用壽命。

5.3　分析與優(yōu)化

通過(guò)以上有限元分析，認(rèn)為可從以下幾方面對(duì)導(dǎo)向滑靴進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和檢查修補(bǔ)：

(1) 在“C”形槽的易磨損面上，根據(jù)不同磨損速度和強(qiáng)度，有針對(duì)性地進(jìn)行耐磨層堆焊，或固定耐磨板，保證磨損程度的均勻性，由此提高其導(dǎo)向的穩(wěn)定性。

(2) 對(duì)導(dǎo)向滑靴上容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置進(jìn)行強(qiáng)度校核，然后通過(guò)增大圓角等方式來(lái)減小集中應(yīng)力。

(3) 在設(shè)備檢修期間，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)導(dǎo)向滑靴的磨損面和應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行檢查，及時(shí)修補(bǔ)缺陷，防止影響擴(kuò)大。

6　結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了雙滾筒采煤機(jī)牽引部的組成和功能，隨后對(duì)大功率采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的典型結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)進(jìn)行了分析，然后利用ABAQUS有限元軟件對(duì)導(dǎo)向滑靴“C”形槽各面的接觸應(yīng)力和工件所受Mises平均塑性應(yīng)力的分布特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)研究，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)導(dǎo)向滑靴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用維護(hù)提出了若干建議。本文研究方法和結(jié)果對(duì)導(dǎo)向滑靴的改進(jìn)和故障分析具有較大實(shí)用價(jià)值。

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