淺析全斷面煤巷高效掘進(jìn)機(jī)本體部校核設(shè)計(jì)

藏家君 邵 帥（北方重工集團(tuán)有限公司煤礦機(jī)械分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

淺析全斷面煤巷高效掘進(jìn)機(jī)本體部校核設(shè)計(jì)

藏家君 邵 帥
（北方重工集團(tuán)有限公司煤礦機(jī)械分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

摘 要：全斷面煤巷高效掘進(jìn)機(jī)本體部在整機(jī)中處于中心位置，其上承擔(dān)著機(jī)體的各功能部件，下部與承重的行走裝置鉸接，工作情況下該部件的受力比較復(fù)雜；為保證工作的可靠性，設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)Creo，Ansys等軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

關(guān)鍵詞：本體部；有限元模型；載荷及約束

日前，國(guó)內(nèi)首臺(tái)煤礦用全斷面高效掘進(jìn)機(jī)QMJ4260已在神東公司大柳塔煤礦投入使用，該機(jī)主要用于煤礦巷道掘進(jìn)作業(yè)，截割標(biāo)準(zhǔn)斷面成寬6m，高4.2m的矩形斷面，掘進(jìn)作業(yè)速度可達(dá)到15m/h。該機(jī)作為全斷面一次成型的高效掘進(jìn)設(shè)備，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)許多部件進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男：朔治?，以滿足煤礦井下復(fù)雜工作環(huán)境下的使用要求。

本體部在整機(jī)中處于中心位置，其上承擔(dān)著機(jī)體的各功能部件，下部與承重的行走裝置鉸接，工作情況下該部件的受力比較復(fù)雜；為保證工作的可靠性，設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)Creo，Ansys等軟件對(duì)其進(jìn)行了有限元分析。

1 邊界條件分析

掘進(jìn)機(jī)在正常工作時(shí)，整機(jī)的重量由兩條履帶承擔(dān)。本體部的受力主要是前方截割部通過(guò)連接面?zhèn)鬟^(guò)來(lái)的力，自身重力，其上的截割電機(jī)的重力。

每個(gè)刀盤上受向后的推力55 t，扭矩660kN·m；上面滾筒受向后和向下的力各5.5t；下面滾筒受向后和向下的力各11t；截割部自重90t。本體部自身重力按材料密度，直接由分析軟件自行計(jì)算，均勻的分布在本體結(jié)構(gòu)材料上。截割電機(jī)重5.5t，作用于本體部中部。

2 有限元模型

在Creo下設(shè)計(jì)的模型里面包含大量的焊接件，在建模過(guò)程中，焊縫處按連續(xù)結(jié)構(gòu)處理。去掉了對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的細(xì)小倒角，孔和槽均原樣保留。為方便施加截割頭上的載荷，在分析時(shí)對(duì)截割部的模型也加入了有限元分析模型。截割部不在所分析的內(nèi)容之中，實(shí)體模型導(dǎo)入Ansys后對(duì)其進(jìn)行了大量簡(jiǎn)化。有限元模型的單元類型選擇三維實(shí)體單元Solid 185。該單元是三維實(shí)體分析中一種常用單元，有八個(gè)節(jié)點(diǎn)，可用于六面體網(wǎng)格劃分，也可退化為五面體或四面體。

本體部為組焊件，材料暫定為Q345，板厚有60mm和80mm兩種。

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，該材料的屈服強(qiáng)度為不小于275MPa，抗拉強(qiáng)度為470-630MPa。

本體部整體采用六面體網(wǎng)格，對(duì)于應(yīng)力較大的部位，采用四面體進(jìn)行細(xì)化。截割部采用較粗的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。用梁?jiǎn)卧蜅U單元模擬上下截割部，銷軸和傳動(dòng)油缸。本體部與截割部之間，建立接觸對(duì)。按照上述邊界條件分析數(shù)據(jù)對(duì)有限元模型添加載荷及約束后的有限元模型如圖1所示。

3 有限元分析結(jié)果

應(yīng)力分布如圖2所示，整體應(yīng)力多在44MPa以下。按靜強(qiáng)度校核，該結(jié)構(gòu)是安全的。從總體應(yīng)力云圖上可以看出，還有兩個(gè)位置應(yīng)力較大：在本體部連接面與上部板材相交處，應(yīng)力大約130MPa，以及與提升油缸銷軸相接觸的位置，應(yīng)力大約100MPa。位移云圖如圖3所示，最大位移為0.8mm。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析，分析了本體部在各種載荷作用下的應(yīng)力分布及位移。按照靜強(qiáng)度理論校核，該結(jié)構(gòu)是安全的。在分析結(jié)果中可以看出，在兩個(gè)位置應(yīng)力較大：（1）本體部與提升油缸銷軸相接觸的銷軸孔，應(yīng)力可達(dá)100MPa；（2）本體部連接面與上部板材相交處，應(yīng)力可達(dá)130MPa。

針對(duì)這兩處進(jìn)行分析。在本體部與提升油缸銷軸相接觸的銷軸孔處，該處在分析時(shí)采用了桿單元模擬銷軸的傳力。觀察最后的分析結(jié)果（100MPa），對(duì)比材料的屈服強(qiáng)度（275MPa），可知此處較為安全。且此處承受的為簡(jiǎn)單的壓應(yīng)力為主，不易產(chǎn)生疲勞破壞；本體部連接面與上部板材相交位置，由于截割部質(zhì)量較

大，此處受較大的拉應(yīng)力，且此處為直角結(jié)構(gòu)，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，產(chǎn)生較大的應(yīng)力值。

參考文獻(xiàn)

[1]成大先，等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2007.

[2]北京兆迪科技有限公司.Creo2.0高級(jí)應(yīng)用教程（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]薛風(fēng)先，等.ANSYS12.0機(jī)械與結(jié)構(gòu)有限元分析從入門到精通[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

中圖分類號(hào)：TD421

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A