掘進(jìn)機(jī)截割臂外筒靜力學(xué)分析與研究

曹國峰

（大同煤礦集團(tuán)臨汾宏大隆博煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042101）

截割部是掘進(jìn)機(jī)中的重要工作部件，其運行性能會對掘進(jìn)機(jī)的工作性能產(chǎn)生決定性影響[1]。由于礦井工作環(huán)境非常復(fù)雜，導(dǎo)致截割部運行中容易出現(xiàn)各種故障，其中截割臂外筒結(jié)構(gòu)是故障率相對較高的結(jié)構(gòu)件[2]。針對該問題，利用Ansys軟件建立礦用EBH360型掘進(jìn)機(jī)截割臂的有限元模型，并對外筒結(jié)構(gòu)開展靜力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果提出了進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案。

1 掘進(jìn)機(jī)截割臂概述

以煤礦中使用較多的EBH360型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為對象開展研究，如圖1所示為該型號掘進(jìn)機(jī)截割部的整體結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出，整個截割部主要包括截割臂、截割減速器、截割頭、連接法蘭、蓋板以及后連接座等[3]。掘進(jìn)機(jī)工作時截割頭會與煤壁發(fā)生直接接觸并產(chǎn)生很大的作用力，且特別容易受外部因素影響產(chǎn)生沖擊載荷。所以截割部中的各種機(jī)械結(jié)構(gòu)件工作時均需要承受較大的作用力，其中就包括截割臂[4]。外筒是截割臂中的重要構(gòu)成部分，也是重要的承力結(jié)構(gòu)。

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割部的整體結(jié)構(gòu)

已有的工程實踐經(jīng)驗表明，截割臂外筒結(jié)構(gòu)中升降油缸耳座部位特別容易出現(xiàn)故障，此類故障對掘進(jìn)機(jī)設(shè)備整體的穩(wěn)定運行造成了不良影響。為此，有必要結(jié)合截割部的實際工況對截割臂的外筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，在此基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提升外筒結(jié)構(gòu)的整體性能。

2 截割臂的靜力學(xué)模型

2.1 三維幾何模型

根據(jù)EBH360型掘進(jìn)機(jī)截割臂的實際尺寸，利用Pro/E軟件構(gòu)建對應(yīng)的三維幾何模型。建模過程中為了確保模型計算過程的速度及收斂性，需要對結(jié)構(gòu)中存在的一些細(xì)小結(jié)構(gòu)，比如倒角、倒圓以及小尺寸螺孔等進(jìn)行忽略處理。已有的實踐經(jīng)驗表明，此種處理方法并不會對計算結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響[5]。

2.2 有限元模型

將Pro/E軟件中構(gòu)建的三維幾何模型導(dǎo)出為ige通用格式，并將其導(dǎo)入到Ansys軟件中進(jìn)行后續(xù)網(wǎng)格劃分和材料屬性設(shè)置。軟件中提供了多種形式的網(wǎng)格劃分方法，本次研究在確定四面體網(wǎng)格的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)格自動化劃分，軟件根據(jù)模型整體尺寸自動設(shè)置網(wǎng)格單元大小，以確保模型計算效率。最終劃分得到的網(wǎng)格單元數(shù)量為12 348個，節(jié)點數(shù)量為15 324個。在EBH360型懸臂式掘進(jìn)機(jī)中，截割臂外筒的生產(chǎn)加工材料為ZG35CrMo，查閱材料手冊可知該材料的楊氏模量和泊松比分別為206 GPa和0.3，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為510 MPa和740 MPa。邊界條件方面，分別將掘進(jìn)機(jī)截割臂的自重及其回轉(zhuǎn)力矩大小設(shè)置為232.884 kN和149.48 kN·m。如圖2所示為基于Ansys軟件的掘進(jìn)機(jī)截割臂的有限元模型。

圖2 掘進(jìn)機(jī)截割臂的有限元模型

3 外筒結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)結(jié)果分析

3.1 結(jié)果分析

利用Ansys軟件完成截割臂有限元模型的計算工作以后，可以對外筒結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行提取分析。本研究主要對外筒結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖進(jìn)行了提取，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，不管是應(yīng)力分布還是位移分布，外筒結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出顯著的不均勻性，即絕大部分位置的應(yīng)力和位移均相對較小，比如大部分位置的應(yīng)力值不超過50 MPa。但是局部位置出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中和位移集中現(xiàn)象，其中應(yīng)力最大值達(dá)到了445 MPa，最大位移值達(dá)到了7.565 mm。出現(xiàn)位移最大值的位置主要集中在外筒的底部區(qū)域，位移最大值與最小值之間的差值在7.2 mm左右，出現(xiàn)如此大的差距主要是整個外筒結(jié)構(gòu)縱向距離相對較長，累計的位移值會相對較大。應(yīng)力集中現(xiàn)象主要表現(xiàn)在升降油缸耳座圓環(huán)與矩形過渡的區(qū)域，出現(xiàn)這種情況的原因：其一是耳座工作時會承受較大的作用力；其二是該部位的截面形狀出現(xiàn)了顯著的變化。

圖3 截割臂外筒結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖

3.2 存在的問題討論

截割臂外筒結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制作材料通常為ZG35CrMo，此類型材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度值分別為510 MPa和740 MPa。根據(jù)上文分析的外筒結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為445 MPa，雖然沒有超過材料的屈服強(qiáng)度，但是與屈服強(qiáng)度510 MPa已經(jīng)非常接近，說明結(jié)構(gòu)件在運行過程中具有相對較低的安全系數(shù)，不利于結(jié)構(gòu)件的可靠和穩(wěn)定運行。一旦截割臂遭受較大沖擊載荷時，應(yīng)力集中部位的最大應(yīng)力值很可能超過材料的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致該部位發(fā)生塑性變形，最終出現(xiàn)損傷破壞。另外，掘進(jìn)機(jī)工作時截割部會按照設(shè)定的程序在左右和上下方向上作周期性的擺動，意味著外筒結(jié)構(gòu)的受力呈現(xiàn)出周期性變化的特點，應(yīng)力集中部位特別容易出現(xiàn)疲勞損傷，加速該位置的損壞。

4 外筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)研究

4.1 優(yōu)化改進(jìn)措施

通過前述分析可知，原有截割臂外筒結(jié)構(gòu)存在的問題主要是局部位置應(yīng)力集中值過大，會加速結(jié)構(gòu)件的損傷破壞，縮短其使用壽命。需要結(jié)合實際情況對應(yīng)力集中位置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。具體可以采取以下兩方面的措施來加強(qiáng)應(yīng)力集中部位的剛度和強(qiáng)度：第一，將應(yīng)力集中部位的方孔圓角、升降油缸耳座處的過渡圓角增大到原有的1.5倍，通過這種方式降低截面尺寸突變程度。第二，在升降油缸耳座的上側(cè)和旁側(cè)分別增加設(shè)置兩個加強(qiáng)筋，以增加區(qū)域的剛度和強(qiáng)度。截割臂外筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)方案如圖4所示。

圖4 截割臂外筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)方案

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

基于相同的建模方法利用Ansys軟件對優(yōu)化改進(jìn)后的截割臂進(jìn)行有限元模型建立，并開展模擬仿真分析工作，然后提取外筒結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)優(yōu)化改進(jìn)后應(yīng)力和位移的整體分布情況與優(yōu)化改進(jìn)前基本相同，應(yīng)力集中部位同樣出現(xiàn)在升降油缸耳座附近區(qū)域。優(yōu)化改進(jìn)前后掘進(jìn)機(jī)截割臂外筒的靜力學(xué)分析結(jié)果對比情況如圖5所示。從圖5可以看出，優(yōu)化改進(jìn)后應(yīng)力集中最大值降低到了243 MPa，降低幅度為45.39%，最大和最小位移值之間的差值由原有的7.2 mm降低到了5.2 mm，降低幅度為27.78%。應(yīng)力和位移值的降低能提升該結(jié)構(gòu)件在運行過程中的穩(wěn)定性，延長結(jié)構(gòu)件的使用壽命，為整個掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的可靠穩(wěn)定運行奠定堅實基礎(chǔ)。

圖5 優(yōu)化前后截割臂外筒的靜力學(xué)分析結(jié)果對比

將優(yōu)化改進(jìn)后的截割臂外筒結(jié)構(gòu)安裝到EBH360型掘進(jìn)機(jī)設(shè)備中，并在臨汾宏大隆博煤礦中進(jìn)行了連續(xù)一年的運行觀察，發(fā)現(xiàn)其整體運行良好，期間沒有出現(xiàn)明顯的故障問題。基于實踐運行結(jié)果，認(rèn)為此次優(yōu)化改進(jìn)能夠使外筒結(jié)構(gòu)件的使用壽命提升10%左右，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

利用Pro/E和Ansys軟件建立對應(yīng)的有限元模型，并開展靜力學(xué)分析工作，發(fā)現(xiàn)了EBH360型掘進(jìn)機(jī)截割臂外筒應(yīng)力集中的問題。根據(jù)以上實際情況，對EBH360型掘進(jìn)機(jī)截割臂外筒升降油缸耳座附近的過渡圓角擴(kuò)大1.5倍、在上側(cè)和旁側(cè)分別增加設(shè)置兩個加強(qiáng)筋的改進(jìn)措施。改進(jìn)后，使得EBH360型掘進(jìn)機(jī)截割臂外筒結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值降低幅度達(dá)到了45.39%。將優(yōu)化改進(jìn)后的外筒結(jié)構(gòu)安裝到EBH360型掘進(jìn)機(jī)中，經(jīng)在臨汾宏大隆博煤礦現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)整體運行良好，驗證了優(yōu)化改進(jìn)方案的可行性。