煤礦懸臂式掘進機關鍵結構的力學特性研究

于建華

摘要：為解決煤礦懸臂式掘進機在開采過程中的受力穩(wěn)定性問題，以EBZ160型煤礦懸臂式掘進機為研究對象，采用數(shù)值模擬的手段建立三維分析模型，分別研究懸臂式掘進機關鍵結構的靜力學和動力學特性。研究結果表明：工況A和工況C的懸臂式掘進機關鍵結構最大應力表現(xiàn)為大致相同的變化規(guī)律，工況B的懸臂式掘進機關鍵結構最大應力略有不同；在非冗余驅動下，添加驅動力的左回轉液壓缸和左升降液壓缸呈現(xiàn)隨動狀態(tài)，存在2個周期性穩(wěn)定波動狀態(tài)；在冗余驅動下，左回轉液壓缸驅動力和右升降液壓缸驅動力均呈現(xiàn)隨動狀態(tài)，左回轉液壓缸驅動力曲線與右升降液壓缸驅動力曲線相互間呈現(xiàn)鏡像關系。

關鍵詞：煤礦設備；懸臂式掘進機；關鍵結構；力學特性；仿真分析

0? ?引言

煤炭能源在我國的經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)著十分很重要的作用，與核能、石油、太陽能、天然氣等各種能源形式相比，煤炭能源在我國具有自然稟賦豐富、開采成本低廉、供應可靠等諸多優(yōu)點[1]。近年來，在綠色礦山和智慧礦山的理念的指導下，煤礦綜采工作面的自動化、機械化和智能化，逐漸成為目前礦山掘進技術革新的主要方向。確保礦山巷道掘進設備的力學穩(wěn)定性以對地層環(huán)境良好的適應性，是煤炭開采安全、可靠、高效、穩(wěn)定生產(chǎn)的可靠保障[2]。

懸臂式掘進機屬于部分斷面掘進機，其具有設備投資少、機身穩(wěn)定性好、機動靈活、破巖能力強、可快速施工和適應惡劣工作環(huán)境等優(yōu)點，是煤炭巷道綜掘施工的主要設備之一。研究其關鍵結構的靜力學特性和動力學特性，是保證掘進機受力穩(wěn)定，應對復雜惡劣煤炭地層環(huán)境對截割頭隨機波動沖擊的有效途徑。

本文以EBZ160型煤礦懸臂式掘進機為研究對象，采用數(shù)值模擬的手段建立三維分析模型，分別研究懸臂式掘進機關鍵結構的靜力學和動力學特性。相關研究成果可為煤礦懸臂式掘進機的研發(fā)提供參考，也可促進煤炭開采的機械化發(fā)展。

1? ?煤礦懸臂式掘進機結構與參數(shù)

煤礦懸臂式掘進機是一個復雜的液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)集成，具有結構復雜、零部件眾多等特點。EBZ160型煤礦懸臂式掘進機關鍵結構分解如圖1所示。EBZ160型煤礦懸臂式掘進機關鍵結構組裝如圖2所示。EBZ160型煤礦懸臂式掘進機關鍵部件包括截割頭1、截割臂2、回轉臺10、升降液壓缸12、回轉液壓缸11、回轉支撐13和本體架14。

1.1? ?截割頭與截割臂

截割頭的主要作用是對煤層的削切、破落和破碎。截割臂是支撐截割頭的主要構件，并在截割電機的驅動下實現(xiàn)截割主軸和截割頭的旋轉和扭矩，其制造材料為ZG270-500，密度為7830kg/m3，質量為877kg，彈性模量為2.11×105MPa，泊松比為0.311，屈服強度為248MPa。

1.2? ?回轉臺

回轉臺是推拉液壓缸式，它將截割部不與本體架進行連接，并用于實現(xiàn)截割部的左右回轉。其制造材料為35CrMo，密度為7870kg/m3，質量為7144kg，彈性模量為2.13×105MPa，泊松比為0.286，屈服強度為835MPa。

1.3? ?升降液壓缸

升降液壓缸是截割部上下擺動的動力來源，可用于實現(xiàn)截割部的升降，最大行程可達到600mm。其制造材料為45CrMo，密度為7890kg/m3，質量為260kg，彈性模量為2.09×105MPa，泊松比為0.269，屈服強度為355MPa。

1.4? ?回轉液壓缸

回轉液壓缸是截割部左右擺動的動力來源，左右行程最大可以達到650mm。其制造材料為45CrMo，密度為7890kg/m3，質量為260kg，彈性模量為2.09×105MPa，泊松比為0.269，屈服強度為355MPa。

1.5? ?回轉支撐

回轉支撐是用于將連接回轉臺和本體架的中間構件，可以確?；剞D臺與本體架的相對位移。其制造材料為42CrMo，密度為7850kg/m3，質量為455kg，彈性模量為2.12×105MPa，泊松比為0.280，屈服強度為930MPa[3]。

1.6? ?本體架

本體架的制造材料為Q235-A，密度為7860kg/m3，質量為4857kg，彈性模量為2.12×105MPa，泊松比為0.288，屈服強度為235MPa[4]。

2? ?關鍵結構靜力學特性仿真

2.1? ?模型建立與網(wǎng)絡劃分

為了研究煤礦懸臂式掘進關鍵結構在工作狀態(tài)下的受力特征，基于有限元分析軟件ANSYS的Workbench模塊，建立懸臂式掘進關鍵結構的三維模型（見圖2）。

計算時，各個構件的網(wǎng)格劃分采用軟件內(nèi)嵌的網(wǎng)格類型進行劃分，零件間的接觸采用Hertz接觸理論，按軟件內(nèi)部設定柔性-柔性接觸計算方式，模擬回轉臺銷軸的接觸，按最小勢能原理約束整體的接觸邊界。

2.2? ?驅動液壓缸的荷載生成與分析

基于概率性的蒙特卡洛法對驅動液壓缸的荷載進行生成，以模擬煤礦懸臂式掘進機的自適應工作狀態(tài)。隨機生成的過程如下：首先確定載荷數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，提取分布參數(shù)，隨后輸入需要模擬的數(shù)據(jù)個數(shù)n，產(chǎn)生n個符合相應分布的隨機數(shù)[7]。

為真實反映截割頭、回轉液壓缸、升降液壓缸的實際載荷，按照截割頭的極限行程進行驅動液壓缸荷載生成。極限行程的大小表示截割頭從左極限位置擺動到右極限位置，相應地截割臂也會跟著截割頭的擺動產(chǎn)生伸長和縮短，其水平角從-28°切換到+28°。

表1和圖3為基于蒙特卡洛法隨機生成的驅動液壓缸荷載。從圖3中可以看出，左回轉液壓缸的拉動荷載和推動荷載的變化范圍從6.1～22.40MPa不等。左回轉液壓缸的拉動荷載最大值出現(xiàn)在50s，拉動荷載為19.94MPa。左回轉液壓缸推動荷載的最大值出現(xiàn)在20s，推動荷載為22.40MPa。而升降液壓缸推動荷載的變化范圍從6.25～12.75MPa，最大值出現(xiàn)在5s。

2.3? ?不同工況關鍵結構最大應力分析

煤礦懸臂式掘進機在工作時，其截割頭在截割電機的驅動下呈現(xiàn)旋轉、擺動的運動軌跡，截割頭、左右回轉液壓缸、升降液壓缸產(chǎn)生負荷，在截割頭運動到不同位置時，各個關鍵結構構件的最不利工況有所不同。

鑒于此，在數(shù)值模擬計算時，需考慮煤礦懸臂式掘進機工作的3種最不利工況。工況A：左右回轉液壓缸行程一致，截割臂保持水平。工況B：截割頭擺動到最下位置，左回轉液壓缸行程達到極限值（655mm），而截割臂的仰角為-26°（負值表示向下）。工況C：截割頭擺動到最上位置，左回轉液壓缸的形成為零，右回轉液壓缸的行程達到極限值655mm，截割臂的仰角為+44°（正值表示向上）。

表2和圖4為3種不同工況條件下，懸臂式掘進機關鍵結構的最大應力仿真計算結果。從圖4中可以看出，工況A和工況C條件下，懸臂式掘進機關鍵結構最大應力表現(xiàn)為大致相同的變化規(guī)律，工況B的懸臂式掘進機關鍵結構最大應力略有不同。

在工況A和工況C條件下，回轉臺銷軸的最大應力出現(xiàn)在1#銷軸，分別為159.19MPa、191.73MPa，其余銷軸的最大應力大致相同。左右回轉液壓缸和升降液壓缸的最大應力大致相同，工況A左、右回轉液壓缸和升降液壓缸的最大應力變化范圍為112.23～128.37MPa，工況C左、右回轉液壓缸和升降液壓缸的最大應力變化范圍為137.04～145.27 MPa。

在工況B條件下，回轉臺銷軸的最大應力極值出現(xiàn)在2#銷軸、5#銷軸、7#銷軸，分別為138.71MPa、142.17MPa、134.35MPa，其余銷軸的最大應力大致相同，左回轉、右回轉液壓缸和升降液壓缸的最大應力依次增大。回轉臺的最大應力按工況A、工況B和工況C的順序依次增大。

3? ?關鍵結構動力學特性仿真

3.1? ?分析流程

懸臂式掘進機關鍵結構的動力學特性仿真分析流程如下：先確定模型自由度和主動件，選取廣義坐標，分析確定廣義運動速度；隨后求解各個構件的動能、勢能、驅動力、速度、加速度等動力學參數(shù)；最后根據(jù)虛功原理確定廣義力，將其代入拉格朗日方程，得到關鍵結構運動微分方程[8]。

3.2? ?回轉液壓缸和升降液壓缸驅動力分析

數(shù)值計算采用有限元分析軟件ANSYS的Mechanial Dynamics模塊，計算設定為2種動力學工況，分別是非冗余驅動和冗余驅動。表3為非冗余與冗余驅動條件下，回轉液壓缸和升降液壓缸的驅動力仿真計算結果。

非冗余驅動條件下，回轉液壓缸和升降液壓缸驅動力變化如圖5所示。

從圖5中可以看出，在非冗余驅動下，添加驅動力的左回轉液壓缸和左升降液壓缸呈現(xiàn)隨動狀態(tài)，在400s內(nèi)呈現(xiàn)規(guī)律性的波動。

左回轉液壓缸和左升降液壓缸驅動力有2個周期性的穩(wěn)定波動狀態(tài)，其驅動力波動范圍分為別為225～556kN、-600～215kN。左升降液壓缸動力也有2個穩(wěn)定的波動狀態(tài)，但其波動范圍進一步縮小，驅動力波動范圍分為別為450～556kN、-200～0kN。未添加驅動力的隨動液壓缸（右回轉、右升降液壓缸）驅動力均為零。

冗余驅動條件下，回轉液壓缸和升降液壓缸驅動力如圖6所示。

從圖6中可以看出，在冗余驅動下，左回轉液壓缸驅動力和右升降液壓缸驅動力均呈現(xiàn)隨動狀態(tài)，在400s內(nèi)呈現(xiàn)規(guī)律性的波動，且左回轉液壓缸驅動力曲線與右升降液壓缸驅動力曲線相互間呈現(xiàn)鏡像關系。

4? ?結束語

本文以EBZ160型煤礦懸臂式掘進機為研究對象，采用數(shù)值模擬的手段建立三維分析模型，研究3種最不利工況下懸臂式掘進機關鍵結構的靜力學特性，分析非冗余驅動和冗余驅動下懸臂式掘進機關鍵結構的動力學特性，得到以下結論：

工況A和工況C的懸臂式掘進機關鍵結構最大應力表現(xiàn)為大致相同的變化規(guī)律，工況B的懸臂式掘進機關鍵結構最大應力略有不同。在工況A和工況C條件下，回轉臺銷軸的最大應力出現(xiàn)在1#銷軸。在工況B條件下，回轉臺銷軸的最大應力極值出現(xiàn)在2#銷軸、5#銷軸、7#銷軸?；剞D臺的最大應力按工可A、工況B和工況C的順序依次增大。

在非冗余驅動下，添加驅動力的左回轉液壓缸和左升降液壓缸呈現(xiàn)隨動狀態(tài)，在400s內(nèi)呈現(xiàn)規(guī)律性的波動，回轉液壓缸驅動力有2個周期性的穩(wěn)定波動狀態(tài)。在冗余驅動下，左回轉液壓缸驅動力和右升降液壓缸驅動力均呈現(xiàn)隨動狀態(tài)，在400s內(nèi)呈現(xiàn)規(guī)律性的波動，且左回轉液壓缸驅動力曲線與右升降液壓缸驅動力曲線相互間呈現(xiàn)鏡像關系。

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