基于ANSYS的EBZ40型掘進(jìn)機(jī)油缸強(qiáng)度分析*

杜紅俊

(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100)

0 引 言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在鐵路、公路、水力工程等隧道施工以及在煤礦的井下開采施工中得到了廣泛應(yīng)用，極大地提高了橋梁、隧道、煤炭開采行業(yè)的施工效率。煤礦在我國的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了重要作用，作為煤礦開采中的核心設(shè)備對(duì)于保障煤礦快速開采具有重要意義，因此提高掘進(jìn)關(guān)鍵部件的性能有助于提高掘進(jìn)機(jī)可靠性。

掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境沙塵重、濕度大，加之其工作時(shí)所受由煤巖產(chǎn)生的波動(dòng)載荷復(fù)雜，從而容易導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)故障。鑒于此，以EBZ40型懸臂式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)支撐油缸為研究對(duì)象，通過對(duì)其載荷分析、模型建立、有限元求解等技術(shù)方法，了解支撐油缸結(jié)構(gòu)性能，對(duì)于實(shí)際油缸的設(shè)計(jì)以及提高掘進(jìn)機(jī)的使用性能具有重要意義[1]。

1 EBZ40掘進(jìn)機(jī)概述

國內(nèi)外掘進(jìn)機(jī)的型號(hào)多種多樣，但其結(jié)構(gòu)基本一致，下面對(duì)EBZ40型掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)做簡要說明。圖1為掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)主要包括工作機(jī)構(gòu)、運(yùn)載機(jī)構(gòu)、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、走行部、電氣液壓系統(tǒng)等部件。

圖1 EBZ40型懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1.截割頭 2.截割臂 3.升降油缸 4.回轉(zhuǎn)臺(tái) 5.回轉(zhuǎn)油缸

該掘進(jìn)機(jī)外形尺寸為(長×寬×高)：9.3×2.9×1.6 m，整機(jī)最大功率為85 kW；最大截割高度為5.8 m，最大截割寬度為6.1 m；掘進(jìn)機(jī)整機(jī)重量為41 t；最大走行速度為8 m/min，最大爬坡能力為17°。該掘進(jìn)機(jī)操作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，且工作效率較高；掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)速度對(duì)其煤礦的開采效率影響較大，若掘進(jìn)機(jī)速度跟得上，可提高掘進(jìn)機(jī)近60%的工作效率[2]。

2 仿真工況確定

掘進(jìn)機(jī)的受力情況通常與其姿態(tài)相關(guān)，選擇比較典型、惡劣的載荷工況來分析，有助于更加真切地了解到掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)特性。而掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)作與液壓油缸密切相關(guān)，掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作主要借助液壓油缸來實(shí)現(xiàn)，在此選擇截割臂位于下極限位置和截割臂位于仰角最大位置為截割頭的分析工況[3]。

工況一：掘進(jìn)機(jī)截割臂處于最低的極限位置，截割臂與平臺(tái)之間的夾角大致為0°，舉升油缸的液壓處于為21 MPa。

工況二：截割臂處于最高位置，即截割頭仰角為57°左右，同時(shí)截割頭位于極左的位置，在此狀態(tài)下液壓油缸內(nèi)部壓力最大，同時(shí)收到扭轉(zhuǎn)作用。

最后，分析掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)在此兩種工況下液壓油缸的受力情況，根據(jù)擺臂的位置，計(jì)算得到液壓油缸鉸接位置所受載荷大小如表1所示?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)對(duì)液壓油缸的的作用以載荷代替，同時(shí)將液壓油缸的回轉(zhuǎn)銷軸接觸圓面的軸向與徑向位移值設(shè)定為零[4]。

表1 兩種工況所受載荷

3 分析模型的建立

3.1 三維模型建立

基于EBZ40掘進(jìn)機(jī)的工程圖紙，使用SolidWorks軟件建立液壓油缸的三維模型，在建模過程中簡化孔、銷等細(xì)小特征。賦予結(jié)構(gòu)材料屬性，液壓油缸大部分結(jié)構(gòu)所使用的材料為45鋼，如表2所列，為液壓油缸的材料屬性，最后將將創(chuàng)建的三維模型以Stp文件格式導(dǎo)入ANSYS中[5]。

表2 液壓油缸材料參數(shù)

3.2 網(wǎng)格劃分

在計(jì)算液壓油缸強(qiáng)度時(shí)，為提高計(jì)算精度，更準(zhǔn)確的模擬液壓油缸所受實(shí)際載荷，在液壓油缸活塞與通體之間設(shè)置不可壓縮式液體接觸，忽略液壓油可壓縮性。液壓油缸類似桿結(jié)構(gòu)，只在兩端承受外部載荷。

網(wǎng)格處理是創(chuàng)建有限元分析模型的重要一步，根據(jù)液壓油缸的幾何特性，采用六面體掃略網(wǎng)格進(jìn)行劃分。設(shè)置單元最小尺寸為10 mm，根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，對(duì)液壓油缸網(wǎng)格劃分，得到單元總數(shù)81902個(gè)，共90341個(gè)節(jié)點(diǎn)[6]。

4 應(yīng)力分析結(jié)果

如圖2所示，為在載荷工況一作用下，液壓油缸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。由于在掘進(jìn)機(jī)中液壓油缸對(duì)稱布置，根據(jù)液壓油缸實(shí)際工作情況計(jì)算得到了左、右兩側(cè)液壓油缸應(yīng)力分布云圖。此時(shí)，左側(cè)油缸的最大應(yīng)力值為113.02 MPa，右側(cè)液壓油缸最大應(yīng)力值為166.1 MPa，左右側(cè)液壓油缸的最大應(yīng)力分布位置均位于液壓油缸與回轉(zhuǎn)平臺(tái)連接銷軸位置。工況一時(shí)，截割臂只有豎直舉升高度，此時(shí)回轉(zhuǎn)平臺(tái)左右側(cè)液壓油缸的伸長量一致，根據(jù)液壓油缸應(yīng)力分布情況可以判斷油缸的傳力效果較好，與液壓油缸實(shí)際受載情況一致。

圖2 工況一液壓油缸應(yīng)力云圖

如圖3所示，為在工況二載荷條件下液壓油缸的應(yīng)力分布情況，此時(shí)左側(cè)液壓油缸的最大應(yīng)力值為138.5 MPa，右側(cè)液壓油缸油缸最大應(yīng)力值為101.5 MPa，兩側(cè)液壓油缸最大應(yīng)力值點(diǎn)均出現(xiàn)在油缸與回轉(zhuǎn)平臺(tái)連接的位置，銷軸連接孔。工況二時(shí)，截割臂位于極左位置，右側(cè)液壓油缸伸至最長，左側(cè)液壓油缸伸長量為0，右側(cè)油缸對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)施加的是拉力，此時(shí)右側(cè)液壓油缸內(nèi)受到拉力作業(yè)，左側(cè)液壓油缸對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的作用力為支撐力，因此左側(cè)液壓油缸受到的是壓力作用。左側(cè)油缸最大應(yīng)力值點(diǎn)在與回轉(zhuǎn)平臺(tái)相連的銷孔位置，但右側(cè)液壓油缸最大應(yīng)力值位于銷孔與活塞連桿之間的接觸位置，這也能解釋右側(cè)液壓油缸在工況二時(shí)受壓力作用。

圖3 工況二液壓油缸應(yīng)力云圖

左右側(cè)液壓油缸在兩種工況下，最大應(yīng)力值出現(xiàn)的區(qū)域相似，主要包括銷軸連接孔和銷軸連接孔與活塞連桿之間的位置。左右側(cè)液壓油缸的最大應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度355 MPa，說明油缸整體結(jié)構(gòu)安全，正常使用時(shí)不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞。但應(yīng)警惕最大應(yīng)力區(qū)域，在疲勞載荷的作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。液壓油缸所受的載荷與回轉(zhuǎn)平臺(tái)位置以及截割臂所受的外部載荷密切相關(guān)。

5 優(yōu)化改進(jìn)建議

根據(jù)對(duì)掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的左右旋轉(zhuǎn)支撐油缸的應(yīng)力分析，可以得到液壓油缸相對(duì)比較薄弱的區(qū)域，但油缸的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，液壓油缸的整體安全，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。油缸的最大應(yīng)力所處位置較為敏感，若區(qū)域內(nèi)存在焊縫。則焊縫可能在交變載荷的作用下產(chǎn)生疲勞裂紋，危及掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)的安全，對(duì)該液壓油缸的結(jié)構(gòu)提出兩點(diǎn)改進(jìn)意見：①適當(dāng)提高液壓油缸活塞桿與筒體的性能、強(qiáng)度；原結(jié)構(gòu)使用的是45號(hào)鋼，可以根據(jù)需要選擇強(qiáng)度更高的35CrMo，從材料基礎(chǔ)上提高液壓油缸的可靠性，從而提高掘進(jìn)機(jī)的使用壽命；②提高液壓油缸的制造工藝，可以適當(dāng)增加活塞桿的直徑，提高其抗沖擊載荷的能力，特別留意活塞推桿與銷軸支耳連接的區(qū)域，應(yīng)對(duì)焊縫進(jìn)行打磨，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行去應(yīng)力處理。

6 結(jié) 語

掘進(jìn)機(jī)是隧道掘進(jìn)工程以及煤礦開采工程中一種重要的設(shè)備，對(duì)提高施工效率起到了巨大的作用。由于掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)承受著來自截割臂的交變載荷，回轉(zhuǎn)平臺(tái)通過液壓油缸將載荷傳遞至機(jī)身，由此造成液壓油缸時(shí)常產(chǎn)生故障。為提高掘進(jìn)機(jī)的使用壽命，以EBZ40回轉(zhuǎn)平臺(tái)支撐油缸為例分析液壓油缸應(yīng)力分布情況。首先，建立液壓油缸的有限元計(jì)算模型，并根據(jù)掘進(jìn)機(jī)實(shí)際的工作狀態(tài)擬定兩種極端的載荷工況。分析得到液壓油缸在兩種工況載荷作用下，最大應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度。仿真結(jié)果表明液壓油缸的整體結(jié)構(gòu)比較安全，但存在應(yīng)力集中的區(qū)域，為提高液壓油缸的可靠性，提出了兩條工藝性改進(jìn)意見。研究對(duì)于掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)支撐油缸強(qiáng)度分析具有參考意義，對(duì)提高掘進(jìn)機(jī)使用性能具有重要意義。