楊海鵬

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

引言

煤礦掘進(jìn)機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，已憑借其開采效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、作業(yè)安全等特點(diǎn)，在煤礦中廣泛應(yīng)用。但由于井下環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，加上掘進(jìn)機(jī)作業(yè)的工況及受力情況也無規(guī)律，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)中關(guān)鍵部件長(zhǎng)期作業(yè)時(shí)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)變形、局部開裂、線路短路、控制失靈等問題，掘進(jìn)機(jī)一旦出現(xiàn)停機(jī)維修現(xiàn)狀，將嚴(yán)重影響井下煤炭的開采效率[1-2]。其中，油缸作為掘進(jìn)機(jī)中的關(guān)鍵部件，有效掌握其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形規(guī)律，提高其部件的使用壽命，對(duì)保證掘進(jìn)機(jī)的正常運(yùn)行至關(guān)重要[3]。

1 ZBZ220型掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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，包括全斷面掘進(jìn)機(jī)、部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，細(xì)分又可分為單護(hù)盾式、雙護(hù)盾式、縱軸式等類型。以ZBZ220型煤礦掘進(jìn)機(jī)為分析對(duì)象，其結(jié)構(gòu)主要包括截割頭、回轉(zhuǎn)臺(tái)、行走部、升降及回轉(zhuǎn)油缸、截割臂、液壓系統(tǒng)、水路冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等部分[4]，大部分掘進(jìn)機(jī)能滿足煤巖硬度f≤8的煤礦掘進(jìn)開采要求。整個(gè)設(shè)備具有掘進(jìn)穩(wěn)定、效率高等特點(diǎn)。其中，油缸是掘進(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)則主要通過油缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)。由于掘進(jìn)機(jī)作業(yè)環(huán)境相對(duì)惡劣，導(dǎo)致油缸在作業(yè)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)油缸變形、漏油、局部開裂等失效現(xiàn)象，一旦油缸出現(xiàn)了故障現(xiàn)象，整個(gè)掘進(jìn)機(jī)將無法正常開采作業(yè)，只能停機(jī)進(jìn)行設(shè)備維修[5]。由于井下的煤礦開采為閉環(huán)作業(yè)模式，一旦某一設(shè)備出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域的煤礦開采處于癱瘓狀態(tài)。結(jié)合當(dāng)前成熟的有限元分析方法，對(duì)油缸在使用中的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究十分重要。

2 油缸結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 掘進(jìn)機(jī)及油缸三維模型建立

為進(jìn)一步掌握油缸在使用過程中的結(jié)構(gòu)性能，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，采用Solidworks軟件，對(duì)油缸進(jìn)行了三維模型建立。在建模過程中保留了油缸中的缸體、缸筒及兩端的連接頭等結(jié)構(gòu)，油缸的回油行程設(shè)計(jì)在600 mm，去除了油缸中不影響其結(jié)構(gòu)性能的非關(guān)鍵特征，按照1∶1的比例模型，開展了油缸的三維模型建立。同時(shí)，為提高油缸的分析精度，提高分析速度，對(duì)油缸中非關(guān)鍵圓角、倒角、較小圓孔等特征進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化[6]，所建立的掘進(jìn)機(jī)及油缸三維模型如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)及油缸三維模型圖

2.2 油缸仿真模型建立

將所建立模型保存為x-t格式后，將其導(dǎo)入ABAQUS軟件中，對(duì)其進(jìn)行了仿真模型建立。在建模中，首先將油缸中的缸筒、活塞桿部件進(jìn)行了Q235材料設(shè)置，其材料的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。同時(shí)，在軟件中，將缸筒和活塞桿之間設(shè)置為接觸約束，對(duì)油缸底端進(jìn)行了tie綁定約束設(shè)置。根據(jù)油缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用了Solid實(shí)體單元類型，對(duì)油缸進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，單元數(shù)量為64 772個(gè)。另外，在軟件中，在油缸中活塞桿上施加了沿桿方向的軸向載荷，載荷大小設(shè)置為21 MPa，以此模擬油缸在實(shí)際作業(yè)時(shí)的受力情況。由此，完成了油缸仿真模型的建立。

表1 Q235材料關(guān)鍵參數(shù)

3 油缸結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 工況條件確定

由于掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)工況相對(duì)較多，在不同工況條件下，油缸及其他部件的受力情況也不盡相同。因此，選用了掘進(jìn)機(jī)在工況1和工況2條件作為此次分析的重點(diǎn)。掘進(jìn)機(jī)工況1即為截割臂的俯仰角和水平角為0°時(shí)，此時(shí)左右油缸的行程情況相同，工況1如圖2所示。掘進(jìn)機(jī)的工況2即為截割頭的俯仰角與水平面呈-25°，水平角呈28°，使其右側(cè)油缸完成處于壓縮狀態(tài)，工況2如圖3所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)工況1示意圖

圖3 掘進(jìn)機(jī)工況2示意圖

3.2 油缸在不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.2.1 工況1條件下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

根據(jù)所建立的掘進(jìn)機(jī)油缸的仿真模型，得到了油缸在工況1條件下的應(yīng)力變化圖，如圖4所示。由圖可知，油缸此種處于壓縮狀態(tài)，整體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布較為均勻，在活塞桿的上端呈現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中且分布不均勻現(xiàn)象，活塞桿與銷軸連接塊之間的最大應(yīng)力值為175.19 MPa，雖未超過活塞桿的屈服強(qiáng)度235 MPa，但活塞桿上呈現(xiàn)了應(yīng)力集中問題。缸筒的下端應(yīng)力相比其他區(qū)域的應(yīng)力值也更高。分析其原因?yàn)橛透自谧鳂I(yè)時(shí)由于受到來自回轉(zhuǎn)臺(tái)及掘進(jìn)機(jī)自身重力影響，為使掘進(jìn)機(jī)發(fā)出移動(dòng)，則其自身將受到了較大的外部載荷作用。由此，掌握了油缸在此工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化規(guī)律，得出活塞桿上端為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，在使用時(shí)需重點(diǎn)觀察此區(qū)域情況。

圖4 工況1下油缸的應(yīng)力變化圖

3.2.2 工況2下油缸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度圖

通過仿真分析，得到了油缸在工況2條件下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖，如圖5所示。由圖可知，此時(shí)處于壓縮狀態(tài)，缸筒及活塞桿均出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，其中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在活塞桿上端與銷軸連接孔處，最大應(yīng)力值達(dá)到了230.81 MPa，已基本達(dá)到了其材料的屈服強(qiáng)度235 MPa，活塞桿從上端到下端的應(yīng)力呈逐漸減小趨勢(shì)。整個(gè)缸筒上的應(yīng)力值則相對(duì)較小。分析其原因?yàn)椋涸诖斯r下，掘進(jìn)機(jī)不僅處于水平偏移狀態(tài)，同時(shí)截割頭也呈向下作業(yè)狀態(tài)，這給油缸的升縮狀態(tài)造成了較大外部阻力，從而增加了油缸整體結(jié)構(gòu)的受力情況。由此，找到了油缸在此工況下的變化規(guī)律和結(jié)構(gòu)上的薄弱部位，在其實(shí)際使用過程中，需重點(diǎn)對(duì)活塞桿上端進(jìn)行關(guān)注和維護(hù)保養(yǎng)。

圖5 工況2下油缸的應(yīng)力變化圖

4 油缸結(jié)構(gòu)改進(jìn)

結(jié)合前文對(duì)油缸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析，掌握了油缸在不同工況下使用時(shí)的變形規(guī)律；在兩種工況下，油缸中活塞桿上端與銷軸孔連接處均為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位。為提高油缸的使用壽命，有必要對(duì)油缸進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)點(diǎn)主要包括如下：

1）將油缸的材料由Q235材料改為屈服強(qiáng)度更高的Q345或45號(hào)鋼，使其結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度能達(dá)到345 MPa以上，提高油缸自身材料的強(qiáng)度；

2）將油缸活塞桿的壁厚增加2 mm，外徑也增加2 mm，相應(yīng)的缸筒尺寸也做相應(yīng)的調(diào)整，并對(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；

3）在最大應(yīng)力集中區(qū)域附近，開設(shè)直徑為Φ2 mm的較小圓孔，以實(shí)現(xiàn)集中的應(yīng)力能轉(zhuǎn)移一部分至圓孔處，降低油缸上的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

4）定期對(duì)活塞桿及缸筒界面處進(jìn)行潤(rùn)滑維護(hù)，保證其結(jié)構(gòu)接觸部分具有較小的接觸應(yīng)力。

5 改進(jìn)后油缸的應(yīng)用效果

結(jié)合所提出的幾點(diǎn)油缸改進(jìn)措施，按照此改進(jìn)思路，開展了油缸的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及6個(gè)月實(shí)際應(yīng)用。采用應(yīng)力傳感器，對(duì)油缸上的應(yīng)力變化情況進(jìn)行了檢測(cè)，經(jīng)測(cè)定，油缸上的應(yīng)力明顯降低，活塞桿上的最大應(yīng)力值也明顯減小，油缸運(yùn)行更加穩(wěn)定，整體結(jié)構(gòu)性能達(dá)到了改進(jìn)后的預(yù)期效果。