基于ANSYS 對(duì)礦用掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵部件有限元分析

王和兵

（潞安化工集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046100）

引言

煤層具有煤層薄、埋藏深、硬度大等特點(diǎn)，相關(guān)特點(diǎn)促使煤層的實(shí)際工作條件相對(duì)惡劣，對(duì)煤礦開采設(shè)備的組裝、應(yīng)用、維護(hù)檢修均提出較高的實(shí)際要求，使用傳統(tǒng)煤礦開采設(shè)備進(jìn)行煤層開采不僅易出現(xiàn)設(shè)備故障問題，還會(huì)增加回采和環(huán)境治理成本[1-2]。為應(yīng)對(duì)煤層較為惡劣開采環(huán)境所設(shè)計(jì)的煤層掘進(jìn)機(jī)在當(dāng)前煤礦開采中也有著一定應(yīng)用，但由于相關(guān)技術(shù)設(shè)備發(fā)展起步時(shí)間相對(duì)較晚，即便是經(jīng)過多年發(fā)展也存在一定技術(shù)缺陷。因此，為能夠改進(jìn)煤層掘進(jìn)機(jī)的整機(jī)性能，本文將對(duì)煤層掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析，并提出設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，其對(duì)于煤層掘進(jìn)機(jī)后續(xù)優(yōu)化發(fā)展將有著一定的理論參考價(jià)值。

1 EBZ160B煤層掘進(jìn)機(jī)的特點(diǎn)

EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)作為一款專門針對(duì)煤層采掘所研發(fā)的一種重型縱軸式大功能懸臂式掘進(jìn)機(jī)，其可適用于任意斷面形狀的煤層巷道及工程隧道綜采工作。相較于傳統(tǒng)大功率掘進(jìn)機(jī)，EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)具有以下特點(diǎn)[3]。

1）在 1.5 m 煤層條件下，EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)可減少斷面掘進(jìn)量和破巖量分別為20%和57%，可有效提高出煤質(zhì)量，降低掘進(jìn)開采成本。

2）EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用我國(guó)研發(fā)的煤礦井下遙控控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程整機(jī)遙控，并且操作中對(duì)操作手視線干擾更小，更適用于煤層環(huán)境下的遠(yuǎn)程操控要求。

3）相較于傳統(tǒng)大功能掘進(jìn)機(jī)，EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)的整機(jī)高度更低，并且在一定程度上保障傳動(dòng)穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，可減小開采沖擊，提高切割部可靠性。

4）EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)更為緊湊合理，適用于煤層巷道的實(shí)際要求。

5）EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)采用全封閉有效和氣動(dòng)加油裝置，可有效保障液壓系統(tǒng)清潔性，提高液壓系統(tǒng)使用壽命和使用可靠性，改善井下工作環(huán)境，降低設(shè)備維護(hù)檢修需求。

2 煤層掘進(jìn)機(jī)動(dòng)力性能建模

2.1 升降切割

EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)切割部主要由切割頭、工作臂、切割電機(jī)以及切割減速箱等部分共同組成，在實(shí)際升降切割過程中，掘進(jìn)機(jī)切割部處于水平位置處的工作狀態(tài)如圖1 所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)切割部處于水平位置處的工作狀態(tài)（單位：mm）

2.2 回轉(zhuǎn)切割

EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)的切割部固定在掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)臺(tái)上，并有對(duì)稱布置的水平回轉(zhuǎn)油缸進(jìn)行回轉(zhuǎn)推動(dòng)。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)切割部回轉(zhuǎn)到初始位置時(shí)，實(shí)際工作狀態(tài)如圖2 所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)切割部回轉(zhuǎn)到初始狀態(tài)時(shí)的工作狀態(tài)（單位：mm）

2.3 爬坡行走

在EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)爬坡新周期，其履帶兩側(cè)的液壓馬達(dá)會(huì)在減速機(jī)減速后驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過傳動(dòng)初始履帶梁上側(cè)的履帶板和履帶梁前移，而履帶梁下側(cè)履帶板則保持不動(dòng)，在反作用力的推進(jìn)下，掘進(jìn)機(jī)借助摩擦力開始不斷爬坡行進(jìn)。

2.4 整機(jī)支撐

EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)在整機(jī)組裝完成后，還需要通過鏟板油缸、后支撐油缸先后支撐起掘進(jìn)機(jī)，進(jìn)而促使掘進(jìn)機(jī)以整機(jī)離地的方式進(jìn)行履帶懸垂度檢測(cè)。通過三維仿真模擬軟件進(jìn)行煤層掘進(jìn)機(jī)履帶懸垂度檢測(cè)過程模型構(gòu)建。

結(jié)合實(shí)際情況來看，實(shí)際履帶懸垂度檢測(cè)中主要采用兩種方法進(jìn)行整機(jī)支撐，其一為先伸出鏟板支撐掘進(jìn)機(jī)前部，然后通過后支撐支撐起后部；其二為通過后支撐支撐起后部，再通過鏟板支撐起前部[5]。

3 基于ANSYS 的煤層掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵部件有限元分析

3.1 切割電機(jī)

EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)切割電機(jī)裝配模式有限元模型如圖3 所示，為保障分析效率及精度，將切割電機(jī)分為651 668 個(gè)單元和1 025 023 個(gè)節(jié)點(diǎn)?；趫D3開展有限元分析。

圖3 切割電機(jī)裝配模式有限元模型

通過有限元分析可知，切割電機(jī)裝配模式最大應(yīng)力點(diǎn)位于切割電機(jī)前端筋板弧段區(qū)域，最大應(yīng)力值為428.43 MPa；最大位移點(diǎn)位于切割電機(jī)前端減速箱臂體上，最大位移值為8.242 mm。

3.2 板鏟

EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)板鏟裝配模式有限元模型如圖4 所示，為保障分析效率及精度，將板鏟分為66 779 個(gè)單元和115 673 個(gè)節(jié)點(diǎn)?；趫D4 開展有限元分析，由于實(shí)際分析過程與切割電機(jī)有限元分析過程大致相同，以下將直接給出分析結(jié)果，后續(xù)關(guān)鍵部件有限元分析也同樣如此。

圖4 板鏟裝配模式有限元模型

通過有限元分析可知，板鏟裝配模式最大應(yīng)力點(diǎn)位于板鏟尾部連接孔內(nèi)側(cè)，最大應(yīng)力值為313.2 MPa；最大位移點(diǎn)位于鏟板左右側(cè)鏟板兩側(cè)，最大位移值為0.098 5 mm。

3.3 主機(jī)架和回轉(zhuǎn)臺(tái)

EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)主機(jī)架和回轉(zhuǎn)臺(tái)裝配模式有限元模型如圖5 所示，為保障分析效率及精度，將主機(jī)架和回轉(zhuǎn)臺(tái)分為467 264 個(gè)單元和740 832 個(gè)節(jié)點(diǎn)?；趫D5 開展有限元分析。

圖5 主機(jī)架和回轉(zhuǎn)臺(tái)裝配模式有限元模型

通過有限元分析可知，主機(jī)架和回轉(zhuǎn)臺(tái)裝配模式最大應(yīng)力點(diǎn)位于回轉(zhuǎn)臺(tái)前端下側(cè)位置，最大應(yīng)力值為225.57 MPa；最大位移點(diǎn)位于回轉(zhuǎn)臺(tái)最前端區(qū)域，最大位移值為0.632 mm。

3.4 履帶梁

EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)履帶梁裝配模式有限元模型如圖6 所示，為保障分析效率及精度，將履帶梁分為82 009 個(gè)單元和138 935 個(gè)節(jié)點(diǎn)?；趫D6 開展有限元分析。

圖6 履帶梁裝配模式有限元模型

通過有限元分析可知，履帶梁裝配模式最大應(yīng)力點(diǎn)位于履帶梁上行走減速機(jī)上側(cè)位置，最大應(yīng)力值為469.35 MPa；最大位移點(diǎn)位于履帶梁上驅(qū)動(dòng)輪上側(cè)位置，最大位移值為1.314 mm。

3.5 后架

EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)后架裝配模式有限元模型如圖7 所示，為保障分析效率及精度，將后架分為136 305 個(gè)單元和223 194 個(gè)節(jié)點(diǎn)?；趫D7 開展有限元分析。

圖7 后架裝配模式有限元模型

通過有限元分析可知，后架裝配模式最大應(yīng)力點(diǎn)位于后架兩側(cè)支架前端位置，最大應(yīng)力值為266.35 MPa；最大位移點(diǎn)位置與最大應(yīng)力點(diǎn)位置保持一致，也處于后架兩側(cè)支架前端位置，最大位移值為0.656 mm。

4 煤層掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵部件優(yōu)化及實(shí)踐應(yīng)用

通過有限元分析可知，EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)雖然均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但其中切割電機(jī)的位移量相對(duì)較大，所以需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化改進(jìn)，其他關(guān)鍵部件雖然不需要進(jìn)行較大優(yōu)化，但也需要實(shí)施多次修改和多次分析，最終確保掘進(jìn)機(jī)各部件以及整機(jī)結(jié)構(gòu)更為合理可靠。為確認(rèn)優(yōu)化后的掘進(jìn)機(jī)整體性能，將優(yōu)化后掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用于工程實(shí)踐，最終發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的煤層掘進(jìn)機(jī)各關(guān)鍵部件性能和整機(jī)性能均得到進(jìn)一步提升，可進(jìn)一步保障生產(chǎn)安全性和生產(chǎn)效率，所以可以在后續(xù)煤層掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵部件優(yōu)化中進(jìn)行參考使用。

5 結(jié)語

通過有限元模型分析發(fā)現(xiàn)，EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)各關(guān)鍵部件性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但為保障整機(jī)結(jié)構(gòu)及性能，仍然需要進(jìn)行多次優(yōu)化及分析，進(jìn)而保證設(shè)計(jì)方案更為科學(xué)合理，提高整機(jī)性能的同時(shí)，保障EBZ160B 煤層掘進(jìn)機(jī)具體應(yīng)用時(shí)的安全性和使用壽命，綜合提高生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。