采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴失效分析與改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張偉峰

（霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦，山西 霍州 031400）

采煤機(jī)作為煤炭生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備之一，其工作效率是影響煤礦產(chǎn)量及效率的最關(guān)鍵因素。導(dǎo)向滑靴為采煤機(jī)重要的零部件，導(dǎo)向滑靴滑行在銷(xiāo)軌上使采煤機(jī)沿工作面長(zhǎng)度方向?qū)蛐凶?，也保持行走輪和銷(xiāo)軌的正常嚙合。導(dǎo)向滑靴和銷(xiāo)軌在上下、左右各方向都留有間隙，間隙的大小是按中部槽連續(xù)向一個(gè)方向上下彎曲3°或水平方向連續(xù)彎曲1°設(shè)計(jì)的。工作磨損以后，間隙還會(huì)增加，間隙太大會(huì)影響導(dǎo)向和嚙合，間隙太小會(huì)在導(dǎo)向滑靴通過(guò)彎曲段時(shí)卡死，造成導(dǎo)向滑靴損壞，影響采煤機(jī)的正常工作，進(jìn)而影響煤礦開(kāi)采效率。

1 采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴失效分析

李雅莊煤礦屬霍州煤電生產(chǎn)礦井，各綜采工作面主要采用MG400/920-WD 型采煤機(jī)進(jìn)行截割煤體，是一種大功率采煤機(jī)。采煤機(jī)在井下復(fù)雜環(huán)境工作過(guò)程中，導(dǎo)向滑靴部件會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損、消耗甚至無(wú)法正常使用的情況。通過(guò)對(duì)李雅莊煤礦MG400/920-WD 型采煤機(jī)在工作過(guò)程中的故障統(tǒng)計(jì)可知，導(dǎo)向滑靴故障占采煤機(jī)總故障的28%，占行走部故障的90%，故障比例非常高。導(dǎo)向滑靴故障導(dǎo)致失效的情況主要有：滑靴側(cè)壁斷裂、裂紋擴(kuò)散、嚴(yán)重磨損，而滑靴斷裂是導(dǎo)向滑靴失效的主要表現(xiàn)形式。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，李雅莊煤礦MG400/920-WD 型采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴故障的維修和更換難度較大，每次故障停機(jī)處理的時(shí)間為6 h 左右，嚴(yán)重影響到采煤機(jī)的工作時(shí)間和工作效率，必須對(duì)采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴失效問(wèn)題高度重視，并采取針對(duì)性的優(yōu)化措施[1-6]，保障采煤機(jī)的工作時(shí)間和工作效率。

2 采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴強(qiáng)度分析

2.1 三維模型建立

結(jié)合MG400/920-WD 型采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴結(jié)構(gòu)尺寸，運(yùn)用SolidWorks 三維建模軟件完成對(duì)導(dǎo)向滑靴三維模型。采用ANSYS Workbench 模塊對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

2.2 有限元模型的建立

將采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 有限元分析軟件中進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行工程仿真分析。該導(dǎo)向滑靴使用的是ZG35CrMnSi 低合金鑄造調(diào)質(zhì)鋼材料，材料密度7800 kg/m3，材彈性模量為200 GPa，抗拉強(qiáng)度980 MPa，泊松比為0.29，屈服強(qiáng)度為835 MPa。對(duì)該導(dǎo)向滑靴材料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1。

圖1 導(dǎo)向滑靴仿真計(jì)算模型示意圖

2.3 約束與載荷設(shè)置

根據(jù)MG400/920-WD 型采煤機(jī)前后導(dǎo)向滑靴實(shí)際工作情況可知，前導(dǎo)向滑靴在y方向上（垂直方向）的受力最大值為-164 kN，在z 方向上（踩踏側(cè)方向）的受力最大值為-130 kN；后導(dǎo)向滑靴在y方向上（垂直方向）的受力最大值為164 kN，在z 方向上（踩踏側(cè)方向）的受力最大值為270 kN。對(duì)前、后導(dǎo)向滑靴的銷(xiāo)軸孔施加完全約束，模擬其實(shí)際工作情況。

2.4 應(yīng)用分析

啟動(dòng)ANSYSworkbench 有限元分析軟件，對(duì)采煤機(jī)前、后導(dǎo)向滑靴強(qiáng)度分析，提取前后導(dǎo)向滑靴應(yīng)力分布云圖如圖2、圖3。

圖2 前導(dǎo)向滑靴應(yīng)力分布云圖（Pa）

圖3 后導(dǎo)向滑靴應(yīng)力分布云圖（Pa）

從圖2 數(shù)據(jù)可知，采煤機(jī)前導(dǎo)向滑靴在踩空側(cè)處于銷(xiāo)軸孔的下半圓位置時(shí)工作中出現(xiàn)最大應(yīng)力值為245.9 MPa，位于圖2 中的Max 位置處，最大應(yīng)力值小于導(dǎo)向滑靴材料最大應(yīng)力值490 MPa，能有效滿足前導(dǎo)向滑靴的工程要求。

從圖3 數(shù)據(jù)可知，采煤機(jī)后導(dǎo)向滑靴在煤壁側(cè)處于銷(xiāo)軸孔的下半圓位置時(shí)工作中出現(xiàn)最大應(yīng)力值為527.8 MPa，位于圖3 中的Max 位置處，最大應(yīng)力值大于導(dǎo)向滑靴材料最大應(yīng)力值490 MPa，無(wú)法有效滿足后導(dǎo)向滑靴的工程要求，必須改進(jìn)優(yōu)化。

3 采煤機(jī)后導(dǎo)向滑靴結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 改進(jìn)優(yōu)化方法分析

從采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴強(qiáng)度分析可知，后導(dǎo)向滑靴在工作過(guò)程中應(yīng)力集中明顯，超過(guò)ZG35CrMnSi 低合金鑄造調(diào)質(zhì)鋼材料的最大許用應(yīng)力值，后導(dǎo)向滑靴在煤壁側(cè)的銷(xiāo)軸孔位置區(qū)域存在嚴(yán)重的斷裂隱患，需要針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高采煤機(jī)后導(dǎo)向滑靴工作的安全性和可靠性。

基于采煤機(jī)后導(dǎo)向滑靴的實(shí)際應(yīng)用情況，確定了改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：（1）將銷(xiāo)軸孔耳板厚度尺寸在原基礎(chǔ)上增加15 mm；（2）將銷(xiāo)軸孔的倒角尺寸在原基礎(chǔ)上增加2 mm。

3.2 改進(jìn)優(yōu)化結(jié)果分析

將銷(xiāo)軸孔耳板厚度和倒角尺寸大小改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的后導(dǎo)向滑靴按上述方法重新建立三維模型，并進(jìn)行強(qiáng)度分析，應(yīng)力分布云圖如圖4。

圖4 改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的后導(dǎo)向滑靴應(yīng)力分布云圖（Pa）

從圖4 數(shù)據(jù)可知，改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的采煤機(jī)后導(dǎo)向滑靴在工作中出現(xiàn)的最大應(yīng)力值為442.6 MPa，位于圖4 中的Max 位置處，比之前降低了85.2852 MPa。最大應(yīng)力值小于導(dǎo)向滑靴材料最大應(yīng)力值490 MPa，此時(shí)能有效滿足后導(dǎo)向滑靴的工程要求。采煤機(jī)后導(dǎo)向滑靴的改造優(yōu)化設(shè)計(jì)有效提高了后導(dǎo)向滑靴的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，取得了預(yù)期效果。

4 應(yīng)用效果分析

后導(dǎo)向滑靴按上述改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行加工制備后，在MG400/920-WD 型采煤機(jī)上進(jìn)行了安裝調(diào)試，并投入到實(shí)際應(yīng)用中。從2020 年10 月截至2021 年9 月，已對(duì)改進(jìn)后的后導(dǎo)向滑靴在李雅莊煤礦MG400/920-WD 型采煤機(jī)中應(yīng)用情況進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)一年的效果觀察。觀察結(jié)果表明：改進(jìn)后的后導(dǎo)向滑靴在MG400/920-WD 型采煤機(jī)中的應(yīng)用可靠穩(wěn)定，滿足采煤機(jī)截割煤體作業(yè)的要求；采煤機(jī)工作效率提高近12%；導(dǎo)向滑靴零部件的使用壽命提高2.5 倍；工作面停工時(shí)間降低22%。該項(xiàng)目的改造應(yīng)用預(yù)計(jì)一年內(nèi)為煤礦創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約180 萬(wàn)元。