EBZ260H型掘進(jìn)機(jī)截割部不同工況下的強(qiáng)度分析

裴 翔

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

掘進(jìn)機(jī)是煤礦開(kāi)采的重要設(shè)備，保障掘進(jìn)機(jī)的使用可靠性一直以來(lái)都是一個(gè)重要的研究課題。以EBZ260H為研究對(duì)象，通過(guò)Creo建立起該型掘進(jìn)機(jī)三維模型，再由ANSYS模擬計(jì)算分析其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

機(jī)械結(jié)構(gòu)常在遠(yuǎn)小于其材料屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下發(fā)生失效破壞，簡(jiǎn)稱為疲勞載荷。在疲勞載荷的作業(yè)下，其內(nèi)應(yīng)力比較集中的區(qū)域或者是薄弱環(huán)節(jié)，容易萌生疲勞裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展，從而危及整機(jī)結(jié)構(gòu)安全。分析掘進(jìn)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有助于了解其結(jié)構(gòu)中存在的應(yīng)力集中區(qū)域和薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)具有重要意義。

1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)組成分析

掘進(jìn)機(jī)被廣泛應(yīng)用于煤礦巷道施工中。EBZ260H型掘進(jìn)機(jī)最大掘進(jìn)高度5.2 m，最大掘進(jìn)寬度為5.0 m，其爬坡能力±18°,生產(chǎn)能力可達(dá)60 m3/min、具有較好的通過(guò)性、最小離地間隙為210 mm，設(shè)備總裝機(jī)功率為110 kW，設(shè)備總外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為8 100 mm×1 850 mm×1 700 mm，其結(jié)構(gòu)主要由工作機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)等部件組成。下面對(duì)該型掘進(jìn)機(jī)中主要部件功能以及使用方法做簡(jiǎn)要說(shuō)明：

（1）主機(jī)架

掘進(jìn)機(jī)的主要組成部分，同時(shí)也是掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中截割煤巖的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該機(jī)為橫軸截割外伸縮式。主要由截割水冷電動(dòng)機(jī)、工作機(jī)構(gòu)框架、減速箱和左右截割頭等組成。

（2）回轉(zhuǎn)臺(tái)

回轉(zhuǎn)臺(tái)是機(jī)身與截割頭連接的重要部件，承受載荷復(fù)雜，在實(shí)際使用中常出現(xiàn)故障，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)是連接機(jī)身與截割部的重要部件?；剞D(zhuǎn)臺(tái)所承受的載荷工況較為復(fù)雜，也是掘進(jìn)機(jī)中易損壞部件。

（3）液壓系統(tǒng)

主要包括各型液壓油缸，主要負(fù)責(zé)掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵部位的動(dòng)作執(zhí)行，包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)、截割部的升降等。

2 分析模型建立

2.1 三維模型建立

基于EBZ260H掘進(jìn)機(jī)的工程圖紙，創(chuàng)建其截割頭的三維模型，截割頭結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，在建模過(guò)程中簡(jiǎn)化孔、銷等細(xì)小特征。截割部部件主要包括截割刀頭、回轉(zhuǎn)臺(tái)、截割臂、支撐油缸等組成，根據(jù)各部件的材料屬性，對(duì)三維模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

Creo是CAD設(shè)計(jì)軟件，可建立三維模型。ANSYS是有限元分析軟件，具有較強(qiáng)的計(jì)算能力，功能強(qiáng)大。

表1為截割部各組成部件的材料屬性，在Creo中創(chuàng)建好了三維模型，同時(shí)設(shè)置好材料的屬性，以中間格式“stp”導(dǎo)入ANSYS，據(jù)此創(chuàng)建好截割部的有限元分析模型。

表1 各部件材料參數(shù)

2.2 仿真分析工況

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在施工作業(yè)時(shí)，一般沿著巷道不斷前進(jìn)，同時(shí)截割頭刀具在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)之下，不斷旋轉(zhuǎn)。掘進(jìn)機(jī)的受力情況通常與其姿態(tài)相關(guān)，在某些工位掘進(jìn)機(jī)可能承受的破壞作用力更大，為了分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度選擇比較典型、惡劣的載荷工況來(lái)分析，有助于更加真切地了解到掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)特性。

選擇截割臂位于下極限位置和截割臂位于仰角最大位置為截割頭的分析工況，下面對(duì)上述兩種工況做簡(jiǎn)要說(shuō)明：

工況一：掘進(jìn)機(jī)截割臂處于最低的極限位置，截割臂與平臺(tái)之間的夾角大致為0°，截割臂處于水平正中位置，此時(shí)左右兩側(cè)的液壓油缸的形成一致。

工況二：截割臂處于最高位置，截割臂的仰角在55°左右，同時(shí)截割頭處于最右側(cè)位置，即截割臂軸線與中間對(duì)稱面之間的夾角為30°。此時(shí)左右兩側(cè)液壓油缸的行程分別為0 mm與712 mm。

2.3 網(wǎng)格劃分

掘進(jìn)機(jī)截割部各部件之間接觸約束較多，需要對(duì)其進(jìn)行特殊的設(shè)置，以提高有限元分析計(jì)算的精度。在ANSYS Workbench中可設(shè)置摩擦接觸，在截割部的分析模型中設(shè)置油缸與回轉(zhuǎn)臺(tái)、油缸與懸臂之間的銷軸連接位置設(shè)置摩擦接觸。網(wǎng)格處理是創(chuàng)建有限元分析模型的重要一步，根據(jù)截割部的幾何特性，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。設(shè)置單元大小為15 mm，根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，對(duì)截割部網(wǎng)格劃分，共得到單元總數(shù)627 136個(gè)，共1 090 216個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 載荷與邊界

截割部部件實(shí)際受載情況十分復(fù)雜，在有限元分析計(jì)算中需要對(duì)部件所受載荷進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。受力分析可以確定截割部的載荷情況，由于篇幅有限，不對(duì)載荷的計(jì)算做展開(kāi)討論。已知，工況一狀態(tài)下，截割頭俯仰角為0°，水平角也為0°。此時(shí)，回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)液壓油壓力為22 MPa，升降油缸的油壓為25 MPa，經(jīng)受力分析可以確定截割部所受的外部載荷，工況二計(jì)算同理，載荷見(jiàn)表2。

表2 各工況截割部載荷

4 截割部計(jì)算結(jié)果

4.1 截割部位移變化情況分析

工況一：圖1中ANSYS Workbench計(jì)算的截割部位移分布云圖，從圖中可知截割部的最大位移值為26.07 mm，最大變形位于截割頭最前端，說(shuō)明懸臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，懸臂的頂端所承受的載荷和形變情況更為復(fù)雜。

圖1 工況一下截割部位移變化

工況二：根據(jù)表2所列工況二的載荷情況，此時(shí)截割部的旋轉(zhuǎn)油缸和舉升液壓油缸的壓力值最大，對(duì)截割部有限元分析模型進(jìn)行加載，分析得到截割部在第二種工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況，見(jiàn)圖2。截割部的最大變形量為23.2 mm，最大位移值仍然出現(xiàn)在截割頭頂端，據(jù)圖可知，掘進(jìn)機(jī)截割部在此工況下有明顯向下和向右的變形。

圖2 工況二下截割部位移變化

4.2 應(yīng)力變化分析

圖3為截割部在工況一下等效應(yīng)力分布情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在工況一狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)臺(tái)與旋轉(zhuǎn)液壓油缸的應(yīng)力明顯大于其他部件。計(jì)算得到截割部最大應(yīng)力值為297.5 MPa，最大應(yīng)力位于回轉(zhuǎn)臺(tái)與懸臂鉸接位置。

圖3 工況一下截割部應(yīng)力變化

圖4為截割部在工況二作業(yè)下應(yīng)力分布情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果截割部最大應(yīng)力值為230.8 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)位于舉升液壓油缸與截割臂連接銷軸孔位置，銷軸孔作為重要的載荷傳遞點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)的安全性對(duì)掘進(jìn)機(jī)有重要影響。

圖4 工況二下截割部應(yīng)力變化

對(duì)截割部在兩種極端工況下的強(qiáng)度分析，計(jì)算結(jié)果顯示所有部件的最大應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度。因此，不會(huì)出現(xiàn)由于正常使用而發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，分析截割部最大應(yīng)力為297.5 MPa，但由于掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際工作中所受的載荷為交變載荷，結(jié)果容易產(chǎn)生疲勞破壞，因此需要對(duì)結(jié)構(gòu)的抗疲勞特性進(jìn)行驗(yàn)證。

5 截割部?jī)?yōu)化改進(jìn)意見(jiàn)

根據(jù)截割部?jī)煞N極端工況下應(yīng)力、應(yīng)變情況的分析結(jié)果，截割部上部分應(yīng)力較小，但回轉(zhuǎn)平臺(tái)與液壓支撐油缸應(yīng)力較大?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)為連接懸臂與機(jī)架的承力結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)毒咴谧鳂I(yè)中，煤層對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的作用力相當(dāng)于加了一個(gè)力壁，從而產(chǎn)生放大效應(yīng)，這也就導(dǎo)致了在回轉(zhuǎn)平臺(tái)位置產(chǎn)生了更大的應(yīng)力。據(jù)此，提出關(guān)于截割部?jī)?yōu)化改進(jìn)意見(jiàn)：

（1）增強(qiáng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確保其能夠承受來(lái)之刀具的沖擊載荷，同時(shí)避免在關(guān)鍵位置使用焊接結(jié)構(gòu)。

（2）加強(qiáng)液壓油缸與回轉(zhuǎn)平臺(tái)連接位置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止結(jié)構(gòu)在疲勞載荷的作用下產(chǎn)生破壞。

6 結(jié)語(yǔ)

掘進(jìn)機(jī)是一種重要的煤礦掘進(jìn)設(shè)備，對(duì)于提高施工效率具有很大的作用，但由于其工作環(huán)境惡劣，承受載荷復(fù)雜多變，常發(fā)生故障。由此，迫切需要提高掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)的可靠性，以EBZ260H掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，建立其有限元模型，分析了截割部在兩種極端工況下應(yīng)力、應(yīng)變情況。

分析結(jié)果顯示：掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，不會(huì)發(fā)生因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)性破壞。但由于截割臂承載大部分載荷直接傳遞給了回轉(zhuǎn)平臺(tái)與液壓油缸，因此應(yīng)特別注意液壓油缸的回轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)，因?yàn)樵诮蛔冚d荷作用下，承受載荷較大的回轉(zhuǎn)平臺(tái)和液壓油缸容易產(chǎn)生疲勞裂紋，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效破壞。