煤礦用掘進(jìn)機(jī)截割臂軸套結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與改進(jìn)

張欣宇

（陽(yáng)泉市大陽(yáng)泉煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

煤炭資源作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不可或缺的能源之一，需求量逐年增加，因此對(duì)采掘機(jī)械的強(qiáng)度要求也越來(lái)越高[1]。我國(guó)煤炭資源分布不集中，使得各地區(qū)煤層的地質(zhì)條件不盡相同，只有提高掘進(jìn)機(jī)的工作能力才能適應(yīng)較為復(fù)雜的煤層工況[2-4]。某型號(hào)掘進(jìn)機(jī)因其較高的掘進(jìn)效率、較低的能源消耗等優(yōu)勢(shì)取得了較為廣泛的應(yīng)用，得到了煤炭行業(yè)的認(rèn)可。掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境惡劣，受力狀況多變，工作沖擊載荷較大，加大了掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)破壞的可能[5]。截割臂作為直接截割煤層的關(guān)鍵部件，其工作的可靠性關(guān)系著整個(gè)掘進(jìn)機(jī)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行，其中軸套的強(qiáng)度和剛度至關(guān)重要[6]。因此對(duì)截割臂軸套進(jìn)行仿真分析，找出應(yīng)力集中位置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)具有重要的意義。

1 截割臂組成及工作原理

某型號(hào)掘進(jìn)機(jī)為橫軸式掘進(jìn)機(jī)，其組成部件包括截割機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，其中較為關(guān)鍵的截割機(jī)構(gòu)包括工作臂、截割頭、截割電動(dòng)機(jī)、截割減速器等部件。截割機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的驅(qū)動(dòng)扭矩來(lái)源于交流電動(dòng)機(jī)，經(jīng)聯(lián)軸器傳輸至減速器進(jìn)行降速增扭，之后驅(qū)動(dòng)截割頭旋轉(zhuǎn)工作。掘進(jìn)機(jī)截割臂工作時(shí)的位姿調(diào)整由伸縮缸伸出縮回動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，確保煤炭巷道截面的均勻掘進(jìn)。當(dāng)煤炭巷道截面煤炭采掘完畢，掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)煤炭巷道深度方向的掘進(jìn)，進(jìn)而完成煤炭巷道掘進(jìn)采煤。

2 截割臂軸套有限元分析

2.1 三維模型的建立

運(yùn)用SolidWorks三維建模軟件完成整個(gè)截割臂的繪制，因?qū)嶋H的截割臂結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)其三維模型進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，省去了各個(gè)結(jié)構(gòu)部件之間的連接螺栓、各個(gè)部件本身的倒角、圓角以及不影響分析結(jié)果的螺栓孔等。

2.2 材料屬性設(shè)置

將建立完成的截割臂三維模型文件進(jìn)行另存，保存成ANSYS仿真分析軟件可以直接倒入的.igs文件。在ANSYS仿真軟件中打開(kāi)截割臂三維模型，對(duì)截割臂軸套進(jìn)行材料屬性設(shè)置，其材料屬性參數(shù)如表1所示，截割臂其他組成部件的材料屬性設(shè)置剛性材料。

表1 截割臂軸套材料力學(xué)性能

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接關(guān)系著截割臂軸套仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，不僅需要控制單元格類型，還要控制單元格的疏密程度。截割臂單元格類型選擇原則如下：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的構(gòu)件選擇solid45單元，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的選擇solid92單元；疏密程度設(shè)置時(shí)將重點(diǎn)分析對(duì)象軸套進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以便提高仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.4 載荷施加

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)截割臂型號(hào)和工況，得到截割臂自重為235 kN，運(yùn)行時(shí)回轉(zhuǎn)力矩最大值為150 kN·m，進(jìn)給過(guò)程中截割臂輸出的最大推進(jìn)力為600 kN，截割臂橫向移動(dòng)時(shí)輸出的最大橫向力為200 kN，升降時(shí)輸出的最大垂直力為155 kN。此處重點(diǎn)分析截割臂橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)軸套的強(qiáng)度，基于此完成截割臂載荷施加。

2.5 仿真結(jié)果分析

完成掘進(jìn)機(jī)截割臂有限性仿真分析前處理之后啟動(dòng)ANSYS仿真計(jì)算軟件自帶的分析求解器進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，由仿真分析結(jié)果中提取軸套的Von-Mises等效應(yīng)力分布云圖，如圖1所示。

圖1 軸套應(yīng)力（Pa）分布云圖

由圖2截割臂軸套應(yīng)力分布云圖可以看出，軸套缺口邊角位置存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為154 MPa，除此之外的軸套其他位置的應(yīng)力值較小，均未超過(guò)50 MPa且分布較為均勻。軸套材料型號(hào)為ZCuA110Fe3，屈服強(qiáng)度值為180 MPa，應(yīng)力集中位置的最大應(yīng)力與其極為接近，計(jì)算得到安全系數(shù)大小僅為1.16，工作過(guò)程中承受較大的沖擊載荷時(shí)，軸套邊角位置就存在出現(xiàn)損壞的危險(xiǎn)。軸套工作過(guò)程中一旦出現(xiàn)損壞，極有可能導(dǎo)致截割臂喪失伸縮功能甚至卡死截割臂，影響掘進(jìn)機(jī)的正常生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)安全事故，給煤炭企業(yè)帶來(lái)不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。

圖2 截割臂軸套應(yīng)力集中位置

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 改進(jìn)方案

由截割臂靜強(qiáng)度分析結(jié)果得到軸套缺口邊角位置工作時(shí)存在損壞的可能，具體位置見(jiàn)圖2，為了提高其工作可靠性，必須進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。目前結(jié)構(gòu)件應(yīng)力集中問(wèn)題改進(jìn)措施眾多，如增大結(jié)構(gòu)件尺寸、更換強(qiáng)度更好的材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)件熱處理工藝等。結(jié)合截割臂軸套應(yīng)力集中現(xiàn)象、改進(jìn)的技術(shù)難度和成本等情況，擬將截割臂軸套缺口減小2 mm，該改進(jìn)方案既不影響截割臂的整體結(jié)構(gòu)尺寸，又不影響軸套的正常安裝使用，改進(jìn)難度較小，具有很好的可行性。

3.2 改進(jìn)結(jié)果

對(duì)改進(jìn)之后的截割臂軸套進(jìn)行三維模型的修改完善，之后重新導(dǎo)入ANSYS有限元仿真計(jì)算軟件進(jìn)行前處理，參數(shù)設(shè)置過(guò)程和數(shù)值均與軸套改進(jìn)之前一致，以便實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的對(duì)比。啟動(dòng)ANSYS仿真軟件自帶求解器進(jìn)行改進(jìn)軸套靜強(qiáng)度分析，提取改進(jìn)軸套的Von-Mises等效應(yīng)力分布云圖，如圖3所示。由圖3仿真分析結(jié)果可以看出，改進(jìn)軸套的最大應(yīng)力值為74 MPa，位置依然出現(xiàn)在軸套缺口邊角位置，結(jié)合材料的屈服強(qiáng)度值180 MPa計(jì)算得出改進(jìn)軸套的安全系數(shù)為2.4，足以滿足截割臂的工作需要。

圖3 改進(jìn)軸套應(yīng)力（MPa）分布云圖

提取改進(jìn)軸套的等效位移分布云圖，如圖4所示，由圖4可以看出，相對(duì)于全局坐標(biāo)系，改進(jìn)軸套的最大位移值為5.432 mm，最小位移值為4.55 mm，最大位移量與最小位移量之間的差值僅為0.9 mm。改進(jìn)軸套工作過(guò)程中的位移量變化較小，足以滿足截割臂工作時(shí)的剛度要求，由此可見(jiàn)截割臂軸套改進(jìn)有效，具有很好的工程實(shí)用性，保證了截割臂對(duì)于軸套的強(qiáng)度和剛度要求。

圖4 改進(jìn)軸套位移（mm）分布云圖

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證截割臂改進(jìn)設(shè)計(jì)的合理性和仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將改進(jìn)截割臂軸套三維模型轉(zhuǎn)化為工程圖進(jìn)行加工制造，之后將其應(yīng)用于某型號(hào)截割機(jī)中進(jìn)行應(yīng)用。結(jié)果表明，改進(jìn)軸套工作穩(wěn)定可靠，提高了掘進(jìn)機(jī)承受水平載荷的能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，相較于原截割臂軸套結(jié)構(gòu)，改進(jìn)軸套相同時(shí)間內(nèi)磨損量降低近10%，預(yù)計(jì)提高軸套8%~12%的使用壽命，減少了掘進(jìn)機(jī)因軸套故障而導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，取得了很好的應(yīng)用效果。