茹 鵬

（晉能控股晉城煤炭事業(yè)部晉圣上孔煤業(yè)有限公司，山西 晉城048000）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)煤礦資源的大量開采，實(shí)現(xiàn)井下高效率、智能化的開采作業(yè)已成為當(dāng)前實(shí)施煤礦改造升級(jí)的重要方向。而保障設(shè)備的高性能作業(yè)效率顯得尤為重要[1]。礦用掘進(jìn)機(jī)作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，由于存在井下環(huán)境惡劣、煤層較硬、煤灰較多、作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)、落石較多等復(fù)雜情況，加上掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)姿態(tài)也相對(duì)較多，導(dǎo)致設(shè)備在實(shí)際開采中出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)變形、局部開裂、控制失靈等異?，F(xiàn)象，而在單一開采區(qū)域中，所有設(shè)備之間均是相互配合的閉環(huán)作業(yè)模式，一旦掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)了故障或停機(jī)維修問(wèn)題，將嚴(yán)重影響著整個(gè)煤礦的開采效率及產(chǎn)量[2]。因此，利用當(dāng)前成熟快速的有限元分析方法來(lái)對(duì)掘進(jìn)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析研究顯得十分必要。為此，以ZBZ160型礦用掘進(jìn)機(jī)為分析對(duì)象，通過(guò)建立該設(shè)備的有限元分析模型，開展了該設(shè)備在2種工況下的結(jié)構(gòu)性能研究，提出了設(shè)備結(jié)構(gòu)性能改進(jìn)的措施，實(shí)際指導(dǎo)意義較大。

1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)分析

掘進(jìn)機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)類型相對(duì)較多，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的布局方式不同，可分為橫軸式和縱軸式類型，根據(jù)巷道中單軸的抗壓強(qiáng)度的不同，可將其分為半煤巖和硬巖型掘進(jìn)機(jī)。以市場(chǎng)上常用的ZBZ160型礦用掘進(jìn)機(jī)為例，該設(shè)備的結(jié)構(gòu)主要包括主要包括截割頭、截割臂、回轉(zhuǎn)臺(tái)、行走部、油缸、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等部分[3]，如圖1所示，可適應(yīng)煤巖硬度f(wàn)≤8的工作面開采任務(wù)。其中，油缸則是掘進(jìn)機(jī)中的關(guān)鍵部件主要由活塞桿、缸筒、缸頭、缸尾、油塞等組成，負(fù)責(zé)設(shè)備的上下舉升、水平面回轉(zhuǎn)作業(yè)則主要通過(guò)油缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。而截割頭結(jié)構(gòu)主要包括圓錐臺(tái)形，作業(yè)時(shí)直接與煤巖進(jìn)行接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖的開采破壞作用。但由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，設(shè)備經(jīng)常會(huì)處于超負(fù)荷、超長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)等狀態(tài)，加上所開采煤層的硬度不同，導(dǎo)致該設(shè)備整體及部分關(guān)鍵部件極容易出現(xiàn)各類故障問(wèn)題[5]。為此，將重點(diǎn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)在不同工況下作業(yè)時(shí)的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究分析。

圖1 ZBZ160型礦用掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)組成圖

2 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)分析模型建立

2.1 三維模型建立

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，為分析其結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)性能，采用了Solidworks軟件，對(duì)其進(jìn)行了三維模型建立。所建立的模型主要包括掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)臺(tái)、截割頭、升降油缸、回轉(zhuǎn)支架、回轉(zhuǎn)油缸等部件，按照各部件之間的相互配合關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行了模型裝配。同時(shí)，為減少模型的分析時(shí)間，提高模型的分析精度，對(duì)模型中的非關(guān)鍵圓角、倒角、圓孔等特征進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，僅保留了整體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部件[6]。所建立的掘進(jìn)機(jī)部分結(jié)構(gòu)模型圖如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)部分結(jié)構(gòu)三維圖

2.2 仿真模型建立

將建立的掘進(jìn)機(jī)三維模型保存為x-t格式后，導(dǎo)入至ABAQUS軟件中，對(duì)其進(jìn)行仿真模型建立。由于掘進(jìn)機(jī)在使用中基本采用的Q345材料，故在軟件中首先對(duì)其進(jìn)行材料屬性設(shè)置，將其材料設(shè)置為Q345材料，材料的主要參數(shù)見(jiàn)表1，軟件中設(shè)置界面如圖3所示。同時(shí)，由于掘進(jìn)機(jī)中關(guān)鍵部件均為實(shí)體類型，故對(duì)其進(jìn)行了Solid實(shí)體單元類型設(shè)置，在網(wǎng)格劃分時(shí)將網(wǎng)格類型設(shè)置為12 mm，進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，劃分后的模型網(wǎng)格數(shù)量約1 121 554個(gè)。在軟件中，將油缸與回轉(zhuǎn)體、截割部的連接處進(jìn)行了鉸接連接，底部進(jìn)行了tie固定約束，部件之間進(jìn)行了面面接觸約束。由此，完成了掘進(jìn)機(jī)的仿真模型建立。

圖3 材料屬性設(shè)置界面

表1 Q345材料關(guān)鍵參數(shù)

2.3 作業(yè)工況確定

由于掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)工況相對(duì)較多，無(wú)法一一對(duì)其作業(yè)工況進(jìn)行分析研究。故確定了工況一和工況二條件對(duì)其進(jìn)行分析研究。其中，工況一條件為：將截割臂中的俯仰角和水平角設(shè)置為0°，保證左右油缸處于相同的支撐狀態(tài)，此工況的作業(yè)安全性相對(duì)較高；工況二條件為：將截割臂中的俯仰角和水平角分別設(shè)置為-25°和25°，使其一邊的油缸處于最大的壓縮狀態(tài)，另一側(cè)油缸處于最大行程，此工況為最為威脅狀態(tài)。

3 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 工況一下結(jié)構(gòu)性能分析

結(jié)合前文確定的掘進(jìn)機(jī)作業(yè)工況一作業(yè)條件，得到了掘進(jìn)機(jī)在此工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度圖，如圖4所示。由圖可知，掘進(jìn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，在回轉(zhuǎn)臺(tái)、升降油缸、伸縮油缸等部件均出現(xiàn)了較大程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達(dá)到了230.81 MPa，集中在左側(cè)的升降油缸的活塞桿銷軸孔處，未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度345 MPa，整體結(jié)構(gòu)相對(duì)安全。但油缸及回轉(zhuǎn)臺(tái)是此種工況下的主要受力部件，若在此工況下長(zhǎng)時(shí)間的作業(yè)，將極可能使整個(gè)掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效問(wèn)題，故要求油缸、回轉(zhuǎn)臺(tái)等結(jié)構(gòu)需具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及性能特點(diǎn)。

圖4 工況一下掘進(jìn)機(jī)應(yīng)力變化圖

3.2 工況二下結(jié)構(gòu)性能分析

針對(duì)掘進(jìn)機(jī)在工況二下的作業(yè)情況，得到了掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化圖，如圖5所示。由圖可知，掘進(jìn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了不同程度、無(wú)規(guī)律的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中，在回轉(zhuǎn)臺(tái)、升降油缸上的應(yīng)力值相對(duì)較高，最大應(yīng)力值達(dá)到了413 MPa，出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)臺(tái)上，已超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度345 MPa；而截割臂上應(yīng)力值則相對(duì)較小。分析其原因?yàn)椋涸诖斯r下，由于截割頭及截割臂此時(shí)處于向上仰角狀態(tài)，而回轉(zhuǎn)臺(tái)則處于水平狀態(tài)，較大的沿斜面向下的作用力傳遞到了回轉(zhuǎn)臺(tái)上。

圖5 工況二下掘進(jìn)機(jī)應(yīng)力變化圖

為進(jìn)一步分析回轉(zhuǎn)臺(tái)的受力情況，提取了回轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)力變化圖，如圖6所示。由圖可知，回轉(zhuǎn)臺(tái)上的最大應(yīng)力值達(dá)到了413MPa，出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)臺(tái)與回轉(zhuǎn)支撐軸連接的中間區(qū)域，超過(guò)了材料屈服強(qiáng)度345MPa；回轉(zhuǎn)臺(tái)的左右兩側(cè)鉸接連接孔及平面上也出現(xiàn)了較大程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，在此工況下，需重點(diǎn)對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的受力情況及結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行跟蹤、維護(hù)和保養(yǎng)。以保證掘進(jìn)機(jī)整個(gè)設(shè)備的作業(yè)安全性。

圖6 工況二下回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力變化圖

4 掘進(jìn)機(jī)優(yōu)化改進(jìn)

結(jié)合前文分析，得到了掘進(jìn)機(jī)在,2種工況下的受力情況，可知：掘進(jìn)機(jī)中回轉(zhuǎn)臺(tái)和油缸的受力相對(duì)較高，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部件，其中，回轉(zhuǎn)臺(tái)的受力相對(duì)更高。為保證掘進(jìn)機(jī)的高效作業(yè)，故需對(duì)掘進(jìn)機(jī)中的關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，具體如下：

1）針對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)及油缸結(jié)構(gòu)，可提高其材料的材料屬性，選擇材料屈服強(qiáng)度更高的材料，以提高回轉(zhuǎn)臺(tái)及油缸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2）在回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)加工時(shí)，對(duì)其中部回轉(zhuǎn)支撐處進(jìn)行調(diào)質(zhì)淬火等熱加工處理，并對(duì)上表面的進(jìn)行精加工處理，表面粗糙度控制在0.15，由此，可提高此部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3）對(duì)中部回轉(zhuǎn)支撐處、鉸接連接處應(yīng)力集中區(qū)域開設(shè)較小孔徑的圓孔，直徑2～3 mm，可使集中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至小孔處，以降低結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4）將油缸活塞桿的壁厚增加2～3 mm，外徑也增加2～3 mm，對(duì)活塞桿上端與銷軸孔連接處的焊縫進(jìn)行消除應(yīng)力處理。

5）定期對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)及油缸缸筒界面處進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形、潤(rùn)滑性能等方面維護(hù)保養(yǎng)，掌握該些部件的變形規(guī)律，針對(duì)其出現(xiàn)的異常情況，需及時(shí)對(duì)其進(jìn)行維修或更換等操作，以保證回轉(zhuǎn)臺(tái)、油缸的作業(yè)安全性。

5 結(jié)論

針對(duì)掘進(jìn)機(jī)復(fù)雜的作業(yè)工況，針對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)使用中出現(xiàn)的各類故障問(wèn)題，采用當(dāng)前成熟的有限元分析方法，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究，是當(dāng)前提高設(shè)備改進(jìn)效率和作業(yè)安全性、減少研發(fā)成本投入的有效方法。為此，以ZBZ160型礦用掘進(jìn)機(jī)為分析對(duì)象，對(duì)其開展了2種工況下的結(jié)構(gòu)性能研究，得出如下結(jié)論：

1）掘進(jìn)機(jī)在工況一條件下，回轉(zhuǎn)臺(tái)、升降油缸、伸縮油缸等部件均出現(xiàn)了較大程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，雖未超過(guò)其材料的屈服強(qiáng)度，但在長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)工況下極容易率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效問(wèn)題，存在一定的安全隱患。

2）在工況二條件下，掘進(jìn)機(jī)中的回轉(zhuǎn)臺(tái)、升降油缸均出現(xiàn)了較大程度的應(yīng)力集中，其中，回轉(zhuǎn)臺(tái)上的應(yīng)力值已超過(guò)其材料的屈服強(qiáng)度，在此復(fù)雜工況下長(zhǎng)期作業(yè)，存在嚴(yán)重的故障失效隱患，需對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

3）從材料屬性、結(jié)構(gòu)組成、結(jié)構(gòu)尺寸、后期維護(hù)保養(yǎng)等方面提出了掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施，可為掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際優(yōu)化改進(jìn)提供重要的指導(dǎo)作用。

4）該研究對(duì)掌握掘進(jìn)機(jī)及關(guān)鍵部件在不同工況下的受力情況及變形規(guī)律具有重要作用，也為指導(dǎo)設(shè)備整體性能的提供改進(jìn)優(yōu)化提供了重要指導(dǎo)和參考，實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值較大。