采煤機(jī)調(diào)高油缸的優(yōu)化改進(jìn)研究

盧金強(qiáng)

（晉能控股麻家梁煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 036000）

引言

采煤機(jī)工作時(shí)直接與煤壁發(fā)生作用，其運(yùn)行過(guò)程的可靠性和穩(wěn)定性會(huì)對(duì)采煤效率產(chǎn)生直接影響。采煤機(jī)由多個(gè)部分構(gòu)成，截割部對(duì)采煤效率的影響最為顯著[1]。調(diào)高油缸是截割部液壓系統(tǒng)的重要機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要作用是對(duì)截割部進(jìn)行支撐，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)截割部高度進(jìn)行調(diào)整[2]。調(diào)高油缸能否可靠穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)在一定程度上影響采煤機(jī)運(yùn)行的可靠性，進(jìn)而影響設(shè)備的運(yùn)行效率[3]。調(diào)高油缸運(yùn)行時(shí)內(nèi)部壓力的變化情況、位移變形和應(yīng)力分布情況等都是反映其工作穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[4]。利用Ansys 軟件對(duì)調(diào)高油缸工作時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變及其內(nèi)部壓力進(jìn)行分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在一定程度上提升了調(diào)高油缸的性能。對(duì)于保障采煤機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性具有一定的實(shí)際意義。

1 采煤機(jī)及調(diào)高油缸概述

本研究主要以MG400/930 型采煤機(jī)為研究對(duì)象，此設(shè)備屬于電牽引的雙滾筒采煤機(jī)，具有很好的工作穩(wěn)定性與可靠性，與其他采煤設(shè)備配合使用可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)采煤過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化操作[5]。如圖1 所示為MG400/930 型采煤機(jī)的主體結(jié)構(gòu)示意圖。由圖1 可以看出，采煤機(jī)是一個(gè)非常龐雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包含多個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)。螺旋滾筒與煤壁發(fā)生接觸并采集獲得煤炭，需通過(guò)調(diào)高油缸來(lái)控制螺旋滾筒的高度。調(diào)高油缸分別與截割部和液壓控制系統(tǒng)連接，是液壓控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。液壓控制系統(tǒng)通過(guò)控制調(diào)高油缸內(nèi)部液壓油的容量實(shí)現(xiàn)調(diào)高油缸伸縮的控制，從而實(shí)現(xiàn)螺旋滾筒高度的控制[6]。

圖1 采煤機(jī)主體結(jié)構(gòu)示意圖

調(diào)高油缸由多個(gè)零件構(gòu)成，包括缸筒、端盤、活塞、活塞桿。對(duì)于調(diào)高油缸而言，活塞桿和缸筒的規(guī)格尺寸是非常關(guān)鍵的參數(shù)，對(duì)調(diào)高油缸性能有重要影響。MG400/930 型采煤機(jī)液壓缸筒的內(nèi)徑和外徑尺寸分別為200 mm、250 mm，活塞桿的直徑和長(zhǎng)度分別為120 mm、1 000 mm。

2 調(diào)高油缸有限元模型的建立

2.1 三維模型建立

根據(jù)MG400/930 型采煤機(jī)調(diào)高油缸的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，利用Pro/E 軟件繪制調(diào)高油缸的三維幾何模型。繪制模型時(shí)對(duì)不同的零件進(jìn)行單獨(dú)繪制，再進(jìn)行裝配。將建立好的模型分別導(dǎo)出為.iges 格式，以便導(dǎo)入Ansys 軟件中進(jìn)行有限元模型的建立。為了加快模型計(jì)算速度，在建立模型時(shí)對(duì)一些倒角、倒圓等細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行忽略處理。

2.2 有限元模型建立

在Ansys 軟件中需要根據(jù)實(shí)際情況賦予對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)件材料屬性，調(diào)高油缸使用的材料為27SiMn，查閱材料手冊(cè)可知該材料的彈性模量和泊松比分別為209 GPa、0.3，密度（體積質(zhì)量）大小為7 890 kg/m3。模型中還需要分析液壓油與油缸之間的相互作用，因此還需要賦予液壓油基本屬性，使用的液壓油型號(hào)為N#100 號(hào)抗磨液壓油，密度（體積質(zhì)量）大小為860 kg/m3。需要說(shuō)明的是，在Ansys 軟件中輸入材料屬性時(shí)必須嚴(yán)格按照國(guó)際制單位輸入。網(wǎng)格劃分同樣是有限元模型建立的關(guān)鍵，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量不僅會(huì)影響模型計(jì)算的速度，也會(huì)影響模型最終計(jì)算的結(jié)果。Ansys 軟件中提供了多種類型的網(wǎng)格劃分方法，本案例中使用自動(dòng)網(wǎng)格劃分方法，選用四面體網(wǎng)格單元類型，最終劃分得到的網(wǎng)格單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為11 334 和13 492。還需要設(shè)備調(diào)高油缸的自由度，主要限制了油缸底部位置的六個(gè)自由度，活塞桿的自由度不受限制，載荷作用在活塞桿的頭部位置。

3 調(diào)高油缸的靜力學(xué)分析結(jié)果

調(diào)高油缸工作時(shí)內(nèi)部充滿液壓油，正常工作時(shí)液壓油會(huì)對(duì)缸體產(chǎn)生一定的沖擊，并且液壓油與缸體、活塞桿之間會(huì)產(chǎn)生相互作用力，使調(diào)高油缸整體產(chǎn)生一定的變形。如圖2 所示為調(diào)高油缸工作時(shí)的靜力學(xué)分析結(jié)果，圖2 中顯示了調(diào)高油缸的總變形量、等效應(yīng)變和等效應(yīng)力分布云圖。由圖2 可知，不管是總變形量還是等效應(yīng)變和等效應(yīng)力，其分布情況均呈現(xiàn)出顯著的不均勻性，不同位置的變形量、應(yīng)變和應(yīng)力值存在一定的差異。調(diào)高油缸的總變形量與彈簧的變形量情況類似，即從油缸底部至活塞桿頭部，變形量依次增大，出現(xiàn)這種情況的原因在于活塞桿頭部屬于受力點(diǎn)，所以其變形量最大，此情況基本與實(shí)際情況吻合，變形量的最大值為1.13 mm。調(diào)高油缸的最大應(yīng)變值出現(xiàn)在活塞與活塞桿接口部位，分析原因在于活塞桿與活塞的尺寸存在一定差異，尺寸的突變導(dǎo)致該部位出現(xiàn)了顯著的應(yīng)變集中現(xiàn)象。由圖2 中可知最大等效應(yīng)變?yōu)?.001 398 8。活塞桿頭部位置和活塞桿本身的等效應(yīng)力值與其他區(qū)域相比較更大，特別是頭部位置的應(yīng)力值最大，達(dá)到了253 MPa。分析可能的原因在于活塞桿直徑與油缸相比較要小，所以更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖2 調(diào)高油缸的靜力學(xué)分析結(jié)果

4 調(diào)高油缸的優(yōu)化改進(jìn)分析

由上述分析可以看出，由于原調(diào)高油缸在結(jié)構(gòu)上的缺陷，如活塞桿與活塞直徑尺寸差異過(guò)大，導(dǎo)致兩者接觸部位出現(xiàn)了顯著的應(yīng)變集中現(xiàn)象，活塞桿尺寸偏小，導(dǎo)致活塞桿尤其是頭部位置出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的存在均不利于調(diào)高油缸運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性，所以有必要對(duì)調(diào)高油缸的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。具體改進(jìn)方案如下：在保證油缸厚度不變的情況下，將內(nèi)徑擴(kuò)大到210 mm，同時(shí)將活塞桿直徑調(diào)整到140 mm，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變。

根據(jù)優(yōu)化改進(jìn)后的調(diào)高油缸結(jié)構(gòu)尺寸，再次利用Ansys 軟件建立對(duì)應(yīng)的有限元模型，模型建立過(guò)程中所有的外部條件和材料參數(shù)均與優(yōu)化前完全相同。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，調(diào)高油缸優(yōu)化改進(jìn)后，其總變形量、等效應(yīng)變和等效應(yīng)力的分布云圖與優(yōu)化改進(jìn)前相比較，整體分布規(guī)律基本相同，但最大值均出現(xiàn)了不同程度地降低，如表1 所示為優(yōu)化改進(jìn)前后調(diào)高油缸的靜力學(xué)分析結(jié)果對(duì)比情況。由表1 數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化改進(jìn)后調(diào)高油缸的總變形量、等效應(yīng)變、等效應(yīng)力最大值分別為0.78 mm、0.000 94 和192 MPa，與優(yōu)化改進(jìn)前相比較降低比例分別達(dá)到了30.97%、32.37%和24.11%。

表1 優(yōu)化前后調(diào)高油缸靜力學(xué)分析結(jié)果對(duì)比

進(jìn)一步對(duì)比分析了調(diào)高油缸在承受外部載荷沖擊作用時(shí)，腔內(nèi)液壓油壓強(qiáng)的變化情況，如圖3 所示為優(yōu)化前后油缸腔內(nèi)壓強(qiáng)變化的對(duì)比情況。由圖3可知，在第5 s 時(shí)調(diào)高油缸承受沖擊載荷，腔內(nèi)壓強(qiáng)突然變大，且呈現(xiàn)出振蕩的特點(diǎn)，最終在7 s 以后基本保持穩(wěn)定。在其他條件完全相同的情況下，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)使得調(diào)高油缸在承受沖擊載荷時(shí)，腔內(nèi)壓強(qiáng)出現(xiàn)了一定程度降低。原調(diào)高油缸壓力振蕩時(shí)最大壓強(qiáng)與最小壓強(qiáng)之間的差值為8.32 MPa，優(yōu)化后的壓強(qiáng)差值為7.78 MPa，降低幅度為6.5%左右，說(shuō)明優(yōu)化后的調(diào)高油缸運(yùn)行穩(wěn)定性更高。

圖3 優(yōu)化前后油缸腔內(nèi)壓強(qiáng)變化的對(duì)比情況

將優(yōu)化后的調(diào)高油缸部署到MG400/930 型采煤機(jī)工程實(shí)踐中，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)整體運(yùn)行穩(wěn)定。通過(guò)此次調(diào)高油缸的優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)一步提升了采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性，初步分析認(rèn)為調(diào)高油缸的使用壽命可以提升20%以上。

5 結(jié)論

調(diào)高油缸作為采煤機(jī)中重要的結(jié)構(gòu)件，作用是對(duì)截割部進(jìn)行支撐并且實(shí)現(xiàn)高度的調(diào)整。因此其運(yùn)行穩(wěn)定性會(huì)對(duì)截割質(zhì)量和效率產(chǎn)生重要影響。以MG400/930 型采煤機(jī)為對(duì)象，利用Ansys 軟件對(duì)其調(diào)高油缸的靜力學(xué)情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在一定的缺陷問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，結(jié)果如下：

1）調(diào)高油缸的總變形量、等效應(yīng)變和等效應(yīng)力值均出現(xiàn)了大幅度降低。

2）在沖擊載荷作用下缸內(nèi)液壓油的壓強(qiáng)也出現(xiàn)了一定程度地降低，顯著提升了調(diào)高油缸運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

3）將優(yōu)化后的調(diào)高油缸部署到工程實(shí)踐中，初步分析其使用壽命可提升20%以上。