掘進(jìn)機(jī)履帶板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

張建國

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司開拓三隊(duì)， 山西 昔陽 045300）

引言

掘進(jìn)機(jī)為綜采工作面采掘的主要設(shè)備，其生產(chǎn)能力直接決定巷道的掘進(jìn)效率和掘進(jìn)質(zhì)量。目前，工作面以履帶式掘進(jìn)機(jī)為主。履帶作為掘進(jìn)機(jī)的行走機(jī)構(gòu)，在掘進(jìn)過程中承擔(dān)支反力、傾覆力矩和相關(guān)動(dòng)載荷[1]。實(shí)踐表明，履帶式掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際掘進(jìn)過程中存在附著力不夠、打滑以及不能自動(dòng)排出履帶內(nèi)淤泥的問題。為保證掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率，本文著重對(duì)履帶板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 掘進(jìn)機(jī)履帶板的動(dòng)力學(xué)分析

1.1 履帶式掘進(jìn)機(jī)概述

本文以EBZ-135型掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，該掘進(jìn)機(jī)為斷面掘進(jìn)機(jī)。EBZ-135型掘進(jìn)機(jī)主要由截割機(jī)構(gòu)、裝載機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)、履帶、行走架、鏈輪、馬達(dá)以及行走減速機(jī)等組成。本文著重對(duì)履帶式掘進(jìn)機(jī)的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。

履帶式行走機(jī)構(gòu)分為有支重輪和無支重輪兩種結(jié)構(gòu)[2]。其中，有支重輪的行走機(jī)構(gòu)內(nèi)阻力大，導(dǎo)致設(shè)備行走困難。本文對(duì)無支重輪履帶式掘進(jìn)機(jī)的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。為徹底發(fā)現(xiàn)履帶式掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)所出現(xiàn)的問題，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的問題總結(jié)對(duì)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。

1.2 履帶式掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核

在通過仿真分析行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)真實(shí)反應(yīng)的前提下，可將掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)簡化為驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、履帶板和機(jī)架。首先，基于UG三維建模軟件分別對(duì)上述零部件進(jìn)行建模；然后，基于UG三維建模軟件將各個(gè)零部件按照相應(yīng)的約束裝配為整體，并對(duì)裝配完成后的裝配體進(jìn)行干涉檢查。所搭建掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)的三維模型如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)三維模型

將如圖1所示的三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)三維模型施加相應(yīng)的約束、接觸力和外部載荷等，使其成為一個(gè)完成的動(dòng)力學(xué)模型。經(jīng)實(shí)踐表明，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)在轉(zhuǎn)彎工況運(yùn)行時(shí)，其履帶板所承受的載荷最為嚴(yán)峻，最容易出現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)零部件的磨損和破壞[3]。因此，以轉(zhuǎn)彎工況為主對(duì)履帶板的受力情況進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)EBZ-135型掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)的參數(shù)對(duì)其在三維有限元仿真模型中進(jìn)行設(shè)置，主要為履帶板的材料參數(shù)。經(jīng)仿真分析可得：

1）驅(qū)動(dòng)輪與履帶板相接觸時(shí)，履帶板所承受的載荷以壓力為主，且最大變形量僅為0.018 3 mm，最大應(yīng)力為17.1 MPa，遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力值154 MPa。因此，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪與履帶板接觸時(shí)，履帶板材料強(qiáng)度滿足生產(chǎn)需求。

2）當(dāng)履帶板與地面相接觸時(shí)，其所承受的載荷為履帶板的拉力，其最大變形量為0.024 6 mm，最大應(yīng)力僅為11.6 MPa，遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力154 MPa。因此，當(dāng)履帶板與地面接觸時(shí)，履帶板強(qiáng)度滿足生產(chǎn)需求。

綜上所述，在轉(zhuǎn)彎工況下履帶板的強(qiáng)度滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，不會(huì)出現(xiàn)零部件磨損、破壞問題。但是，在實(shí)際掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)履帶板存在附著力小、排泥能力差的問題，從而導(dǎo)致設(shè)備掘進(jìn)效率低、工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大[4]。因此，接下來將針對(duì)上述兩個(gè)問題對(duì)掘進(jìn)機(jī)履帶板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 履帶板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

2.1 履帶板現(xiàn)狀分析

EBZ-135型掘進(jìn)機(jī)履帶板的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)履帶板結(jié)構(gòu)

分析圖2可知，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)打滑的主要原因?yàn)樵膸О褰Y(jié)構(gòu)沒有履刺，無法保證設(shè)備與地面之間形成足夠的附著力。而且，原掘進(jìn)機(jī)履帶板存在眾多的凹槽，導(dǎo)致地面的淤泥容易堆積于凹槽部位；另外，堆積于凹槽部位的淤泥無法自動(dòng)排出，需作業(yè)人員手動(dòng)清理，大大降低了掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率。

2.2 履帶板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

2.2.1 增加履帶板與地面附著力

為保證履帶板優(yōu)化后仍具有足夠縱向剛度和扭矩剛度，本文為提升履帶板的地面附著力采用如下優(yōu)化方案：在原履帶板上增加地筋，并將地筋采用左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)布置，通過地筋與地面之間的剪切力達(dá)到增加履帶板與地面附著力的目的。

為驗(yàn)證增加地筋后履帶板的驅(qū)動(dòng)力，基于如圖1所示的三維模型對(duì)比增加地筋前后掘進(jìn)機(jī)的最大牽引扭矩，仿真結(jié)果如下：

履帶板結(jié)構(gòu)未優(yōu)化前，掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)的最大牽引扭矩值為88 kN·m；增加地筋后，掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)的最大牽引扭矩值為110 kN·m。但是，即使為履帶板增加地筋后可在短時(shí)間內(nèi)提高其牽引扭矩，隨著工作面的推進(jìn)，在履帶板內(nèi)堆積淤泥導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)側(cè)滑的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致其最大牽引力力矩下降為96 kN·m。因此，還需針對(duì)履帶板堆積淤泥的情況對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2.2 提升履帶板自動(dòng)排污能力

為保證履帶板處所堆積的淤泥能夠自動(dòng)排出，將所增設(shè)的地筋與水平面成一定的角度。值得注意的是，在保證履帶板能夠自動(dòng)排污的同時(shí)，還需確保設(shè)備的驅(qū)動(dòng)性能[5]。因此，需對(duì)地筋與地面的角度進(jìn)行推理驗(yàn)證。

基于上述優(yōu)化原則，將履帶板上兩頭的地筋呈現(xiàn)60°或45°的角度布置，中間地筋為橫向布置，并對(duì)優(yōu)化后設(shè)備的驅(qū)動(dòng)扭矩進(jìn)行對(duì)比。

經(jīng)對(duì)比可知，地筋與水平面成60°和45°時(shí)，設(shè)備的驅(qū)動(dòng)扭矩相差不大，均在100 kNm左右浮動(dòng)。不同的是，隨著工作面的推進(jìn)，60°地筋自動(dòng)排除淤泥的能力更強(qiáng)。

綜上所述，在履帶板兩頭布置與地面呈60°的地筋，中間布置橫向地筋的方式對(duì)履帶板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 優(yōu)化后履帶板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核

為驗(yàn)證優(yōu)化后履帶板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和性能要求，同樣選用在轉(zhuǎn)彎工況下對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行分析。經(jīng)仿真分析可得如表1所示的結(jié)果。

表1 轉(zhuǎn)彎工況下履帶板嚙合力的對(duì)比

分析表1可得，對(duì)履帶板增加60°的地筋后，在轉(zhuǎn)彎工況下，掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪的嚙合力明顯得到提升。

將地筋結(jié)構(gòu)添加至如圖1所示的三維模型中，經(jīng)干涉檢查后對(duì)優(yōu)化后履帶板的強(qiáng)度進(jìn)行校核。經(jīng)仿真分析可得，優(yōu)化后履帶板的最大變形量為0.029 mm，最大應(yīng)力為223 MPa，遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力值465 MPa，即優(yōu)化后履帶板的強(qiáng)度滿足生產(chǎn)要求。

3 結(jié)論

掘進(jìn)機(jī)為工作面的關(guān)鍵掘進(jìn)設(shè)備，其掘進(jìn)效率直接決定巷道的掘進(jìn)速度和質(zhì)量。本文著重對(duì)掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)的履帶板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，具體總結(jié)如下：

1）原履帶板結(jié)構(gòu)在最為惡劣的轉(zhuǎn)彎工況下強(qiáng)度滿足生產(chǎn)需求。

2）針對(duì)原履帶板附著力不夠的問題，采用為其增加地筋的改造思路；在保證設(shè)備附著力的同時(shí)增加設(shè)備自動(dòng)排除淤泥的能力，將地筋與水平面成60°的方式進(jìn)行安裝。經(jīng)仿真分析，優(yōu)化后履帶板的驅(qū)動(dòng)扭矩明顯優(yōu)于原履帶板結(jié)構(gòu)。

3）對(duì)優(yōu)化后的履帶板進(jìn)行仿真分析可得：在轉(zhuǎn)彎工況下驅(qū)動(dòng)輪的嚙合力明顯得到提升，且應(yīng)變和應(yīng)力均在許用范圍之內(nèi)。