李 領(lǐng)

（汾西礦業(yè)集團中興煤業(yè)公司，山西呂梁 030500）

0 引言

一直以來，煤炭都是我國能源的重要構(gòu)成部分，雖然我國當前正在倡導(dǎo)多元化的能源結(jié)構(gòu)體系，但是煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)體系中的主導(dǎo)地位仍未改變［1］。在采煤過程中如何確保效率和安全是煤炭行業(yè)一直追求的目標，如何采取行之有效的措施在確保安全的前提下進一步提升采煤效率是采煤領(lǐng)域亟需解決的問題［2］。行走機構(gòu)導(dǎo)向滑靴是采煤機的重要構(gòu)成部分，然而，在實際工作過程中，導(dǎo)向滑靴經(jīng)常出現(xiàn)失效而導(dǎo)致整個采煤機停機檢修的問題，嚴重影響采煤機的工作效率［3］。主要原因是導(dǎo)向滑靴受力較復(fù)雜，過大的受力必然會降低其使用壽命。因此，有必要針對導(dǎo)向滑靴的受力情況進行分析，進而對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，改善受力情況，提升使用壽命。

1 采煤機導(dǎo)向滑靴失效分析

導(dǎo)向滑靴失效是造成采煤機故障停機的重要因素之一。一旦導(dǎo)向滑靴出現(xiàn)失效問題，就必須讓整個采煤機停止工作進行維修，一般情況下更換導(dǎo)向滑靴需要花費6～7 h時間，嚴重影響采煤機的工作效率［4］。大量實踐經(jīng)驗表明，如果采煤機進行俯斜開采，由于受力情況比較特殊，非常容易導(dǎo)致導(dǎo)向滑靴出現(xiàn)失效問題。

在針對采煤機行走機構(gòu)進行設(shè)計時，都默認刮板輸送機底板在垂直方向和水平方向的彎曲角度控制在±3°和±1°范圍內(nèi)［5］。然而在實際工作中，受惡劣環(huán)境影響，采煤機行走機構(gòu)的機械零部件會加劇磨損，導(dǎo)致上述的垂直方向和水平方向彎曲角度變大，從而超過規(guī)定范圍值。在這樣的工況條件下，如果繼續(xù)讓采煤機工作，為了保證采煤過程的正常進行，導(dǎo)向滑靴必然會承受很大的力，而加劇導(dǎo)向滑靴的磨損，當導(dǎo)向滑靴承受的力達到一定程度時就會導(dǎo)致其失效，引發(fā)故障停機?？梢?，導(dǎo)向滑靴失效是導(dǎo)致采煤機故障停機的重要原因，嚴重威脅著采煤機的工作效率［6］。

2 采煤機導(dǎo)向滑靴模型的建立

本文利用Creo三維造型軟件建立采煤機導(dǎo)向滑靴的三維模型，利用ANSYS非線性有限元軟件來建立采煤機導(dǎo)向滑靴的數(shù)值模擬仿真模型。ANSYS軟件功能非常強大，能夠進行結(jié)構(gòu)分析、流體分析、磁場分析等。利用該軟件開展數(shù)值模擬分析時的步驟主要分為3個階段，分別為前處理階段、分析計算階段和后處理階段。在前處理階段主要進行模型的建立、網(wǎng)格的劃分、工藝條件的設(shè)置等；分析計算階段就是針對建立的模型進行計算；后處理階段就是針對計算結(jié)果進行提取與分析，得到想要的結(jié)果。因此，借用ANSYS軟件來分析采煤機導(dǎo)向滑靴的受力情況效果較好。

2.1 三維模型的建立

采煤機中的導(dǎo)向滑靴結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，導(dǎo)致該機構(gòu)在工作時的受力情況也較為復(fù)雜?；诖?，有必要針對采煤機導(dǎo)向滑靴的真實結(jié)構(gòu)進行建模，并分析其工作時的受力情況。圖1所示為根據(jù)真實的結(jié)構(gòu)尺寸建立的某型號采煤機導(dǎo)向滑靴三維結(jié)構(gòu)圖，本文所述模型利用Creo三維造型軟件建立。

圖1 采煤機導(dǎo)向滑靴三維結(jié)構(gòu)圖

2.2 材料選擇以及網(wǎng)格劃分

通過Creo三維造型軟件建立好導(dǎo)向滑靴的三維模型后，需要將其格式導(dǎo)出ANSYS可以識別的x－t格式，并將三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中設(shè)置材料，并劃分網(wǎng)格。在模型中將導(dǎo)向滑靴的材料設(shè)置為ZG35CrMnSi，實際中多使用該材料來生產(chǎn)制造導(dǎo)向滑靴，因此可以滿足實際情況。該材料為合金鑄件，屈服強度和抗拉強度分別為835 MPa和980 MPa，伸長率和斷面收縮率分別為14%和30%，彈性模量和泊松比分別為2×1011Pa和0.3。

設(shè)置好材料屬性后，需要針對導(dǎo)入的三維模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分對于有限元分析而言非常重要，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接決定了計算結(jié)果精度，網(wǎng)格劃分不好可能導(dǎo)致分析無法持續(xù)下去。ANSYS軟件中具有多種網(wǎng)格類型，為了保證計算過程的順利進行并確保計算結(jié)果的精度，本文用四面體單元類型來劃分網(wǎng)格。最后，根據(jù)實際情況對導(dǎo)向滑靴進行約束，其中受到的約束主要包括側(cè)向力、支反力，且銷孔為完全約束。

3 采煤機導(dǎo)向滑靴受力仿真分析

為了確保導(dǎo)向滑靴的絕對安全，本文在設(shè)置受力條件時按照危險條件進行設(shè)置。根據(jù)分析結(jié)果，對于前導(dǎo)向滑靴，分別將側(cè)向力和支反力最大值設(shè)置為245 kN和186 kN，它們的方向分別指向采空側(cè)和垂直向上［7］。對后導(dǎo)向滑靴，分別將側(cè)向力和支反力最大值設(shè)置為371 kN和767 kN，它們的方向分別指向采空側(cè)和垂直向上。設(shè)置好相關(guān)的工藝條件參數(shù)后即可開始分析計算，如圖2和圖3所示分別為采煤機前導(dǎo)向滑靴和后導(dǎo)向滑靴的應(yīng)力云圖。

圖2 采煤機前導(dǎo)向滑靴應(yīng)力云圖

圖3 采煤機后導(dǎo)向滑靴應(yīng)力云圖

當按照危險情況來設(shè)置工藝條件時，從圖中可以看出前導(dǎo)向滑靴和后導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力值分別為245.9 MPa和527.8 MPa。其中前導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力值位置為銷軸孔下半圓且偏向采空側(cè)區(qū)域，具體位置為銷軸孔內(nèi)側(cè)。后導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力位置為銷軸孔下半圓區(qū)域，具體位置為煤壁側(cè)。而生產(chǎn)制造采煤機導(dǎo)向滑靴的材料ZG35CrMnSi，其最大的許用應(yīng)力為490 MPa?？梢?，前導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力值在最大許用范圍內(nèi)，而后導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力值超過了該材料的最大許用應(yīng)力值。另外，前導(dǎo)向滑靴和后導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)變值分別為0.435 mm和0.808 mm，位置分別在采空側(cè)導(dǎo)鉤處和煤壁側(cè)導(dǎo)鉤處，前后導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)變值都相對較小，基本能夠滿足實際使用要求。

基于上述分析可以知道，當采用危險工況參數(shù)進行前后導(dǎo)向滑靴受力分析時，對于前導(dǎo)向滑靴而言，不管是最大應(yīng)力值還是最大應(yīng)變值都在允許的范圍內(nèi)，無需對其進行進一步優(yōu)化改進。而對于后導(dǎo)向滑靴而言，雖然其最大應(yīng)變值在允許的范圍內(nèi)，但最大應(yīng)力值527.8 MPa已經(jīng)遠遠超過了允許的最大應(yīng)力值490 MPa，不能滿足實際使用要求。因此有必要針對后導(dǎo)向滑靴進行優(yōu)化改進。

4 采煤機導(dǎo)向滑靴優(yōu)化改進措施

上文針對采煤機導(dǎo)向滑靴的受力情況進行了分析，發(fā)現(xiàn)后導(dǎo)向滑靴存在應(yīng)急集中問題，導(dǎo)致煤壁側(cè)銷軸孔位置的最大應(yīng)力值超過了材料的許用最大應(yīng)力值，這必然會加速導(dǎo)向滑靴的磨損，影響導(dǎo)向滑靴的使用壽命。因此，必須對后導(dǎo)向滑靴進行優(yōu)化改進，以降低其在使用過程中的最大應(yīng)力值。改進的目標為耳板強度，即需要采取行之有效的措施來提升耳板的強度?？梢蕴嵘龑?dǎo)向滑靴強度的措施有很多種，比如增加耳板厚度以提升強度、加大銷軸孔倒角半徑以降低應(yīng)力集中現(xiàn)象、更換生產(chǎn)制造材料以提升材料的最大使用應(yīng)力值［8］。結(jié)合實踐經(jīng)驗，并參考大量文獻資料，本文綜合利用前兩種方法進行優(yōu)化改進，分別把銷軸孔倒角半徑和耳板厚度增加2 mm和10 mm。將改進后的后導(dǎo)向滑靴根據(jù)上述的步驟重新建模，在相同的工況參數(shù)條件再次利用ANSYS軟件對其進行受力分析，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化改進后的采煤機后導(dǎo)向滑靴應(yīng)力云圖

由圖可知，通過增加銷軸孔倒角半徑和耳板厚度，后導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力值出現(xiàn)了顯著降低，其最大應(yīng)力值由優(yōu)化改進前的527.8 MPa降低到了442.6 MPa。優(yōu)化改進后的后導(dǎo)向滑靴最大應(yīng)力值低于材料的許用最大應(yīng)力值，完全能夠滿足使用要求。另外，改進后的后導(dǎo)向滑靴其最大應(yīng)變量同樣出現(xiàn)了一定程度的降低，從0.808 mm降低至0.654 mm。

綜上，針對導(dǎo)向滑靴進行優(yōu)化改進后，即便是在最危險的工況條件下，在理論層面其最大應(yīng)力值也在材料的許用應(yīng)力值范圍內(nèi)，完全能夠滿足使用要求。通過結(jié)構(gòu)尺寸上的改進，優(yōu)化了采煤機導(dǎo)向滑靴的整體受力情況，能夠顯著降低導(dǎo)向滑靴的磨損問題，進而延長導(dǎo)向滑靴的使用壽命。實踐證明，優(yōu)化改進后的導(dǎo)向滑靴使用壽命是優(yōu)化之前的2倍以上。

5 結(jié)束語

本文針對某傳統(tǒng)型號采煤機導(dǎo)向滑靴進行了受力分析，發(fā)現(xiàn)在極端受力情況下，后導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力值超過了材料允許的最大值。通過增加銷軸孔倒角半徑和耳板厚度，使得后導(dǎo)向滑靴的整體受力情況得到改善，最大應(yīng)力值得到顯著降低，且低于材料最大使用值，完全能夠滿足實際需要。通過對導(dǎo)向滑靴的優(yōu)化改進，能夠顯著降低導(dǎo)向滑靴的磨損問題，進而延長導(dǎo)向滑靴的使用壽命。