不同工況下懸臂式掘進機承載結(jié)構(gòu)性能分析

馬曉文

（晉能控股煤業(yè)集團煤峪口礦，山西 大同 037003）

引言

懸臂式掘進機是煤礦巷道掘進的重要設備，懸臂式掘進機的設備施工靈活機動，輔助時間少，便于進行設備的維修及巷道支護[1]，在巷道的綜掘中具有廣泛的應用。由于煤巖復雜多變，巷道地質(zhì)條件多樣，在懸臂式掘進機進行綜掘的過程中，使掘進機的截割部、回轉(zhuǎn)臺、油缸等承載結(jié)構(gòu)承受未知的載荷作用，會造成承載結(jié)構(gòu)的強度過大、疲勞失效等問題[2]，對掘進作業(yè)造成影響。為提高懸臂式掘進機承載結(jié)構(gòu)在使用過程中的安全可靠性，采用有限元分析的方式對其在不同工況下的應力分布及變形狀態(tài)進行分析，從而提高掘進機承載結(jié)構(gòu)的設計水平[3]，保證使用過程中的可靠性，保障巷道掘進的穩(wěn)定作業(yè)。

1 懸臂式掘進機承載結(jié)構(gòu)有限元分析模型的建立

懸臂式掘進機的承載結(jié)構(gòu)主要由截割頭、截割臂、回轉(zhuǎn)臺及油缸等組成，截割臂包括截割電機減速機、伸縮支臂等[4]。依據(jù)掘進機的結(jié)構(gòu)進行承載結(jié)構(gòu)三維模型的建立，得到掘進機的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，將模型導入到有限元分析軟件ANSYS中。對承載結(jié)構(gòu)的材質(zhì)屬性進行設定[5]，截割頭采用ZG270-500型中碳鑄鋼，截割頭軸采用35CrMo型合金鋼，伸縮支臂采用Q345A型低合金鋼，回轉(zhuǎn)臺采用ZG35CrMo型鑄鋼，本體支架采用Q235A型低合金鋼。

圖1 懸臂式掘進機結(jié)構(gòu)模型

對掘進機各構(gòu)件間的接觸進行設定，各個構(gòu)件間不發(fā)生相對運動的設定為綁定接觸，接觸面之間沒有相對的滑移，各個構(gòu)件間發(fā)生相對運動的設定為摩擦接觸[6]，具有非線性的性質(zhì)，可以對接觸狀態(tài)進行準確的描述。由于所建掘進機模型的結(jié)構(gòu)尺寸較大，采用智能劃分網(wǎng)格的形式對承載結(jié)構(gòu)模型進行網(wǎng)格劃分處理[7]，對網(wǎng)格的質(zhì)量進行無關(guān)性檢查。

2 不同工況下懸臂式掘進機承載結(jié)構(gòu)的性能模擬分析

2.1 不同工況的劃分及加載

掘進機在井下的作業(yè)環(huán)境復雜，截割頭處于極限位置時對承載結(jié)構(gòu)的承載性能要求更高，選取懸臂式掘進機承載結(jié)構(gòu)在危險工況下姿態(tài)進行性能分析，不同姿態(tài)的調(diào)節(jié)通過調(diào)整驅(qū)動油缸的長短實現(xiàn)[8]。選取工況一為截割臂的俯仰角即水平角為0°時的姿態(tài)，此時左右油缸的行程相等[9]；選取工況二為掘進機截割頭在下極限位置時的危險工況，此時掘進機的俯仰角達到下極限最大值為-26°，水平角為28°，左回轉(zhuǎn)油缸的行程達到最大值，升降油缸處于收縮狀態(tài)[10]。

對兩種不同工況下掘進機的承載結(jié)構(gòu)進行載荷施加，在兩種惡劣的工況下驅(qū)動油缸對結(jié)構(gòu)件施加的作用力達到最大值，依據(jù)測定的油壓數(shù)值，確定回轉(zhuǎn)油缸及升降油缸的工作壓力為21 MPa。在工況一時設定右回轉(zhuǎn)油缸無桿腔的壓力為21 MPa，升降油缸無桿腔壓力為21 MPa；工況二時設定右回轉(zhuǎn)油缸有桿腔的壓力為21 MPa，升降油缸無桿腔壓力為21 MPa，對承載機構(gòu)的性能進行分析。

2.2 工況一承載結(jié)構(gòu)的性能分析

依據(jù)工況一中的油缸壓力及姿態(tài)對掘進機進行加載，對截割頭在極限加載工況下承載結(jié)構(gòu)的整體位移變形及應力進行模擬計算，得到掘進機承載結(jié)構(gòu)的位移變形及應力分布如下頁圖2所示。

從圖2中可以看出，掘進機承載結(jié)構(gòu)整體的最大變形量為26 mm，最大變形位置在截割頭的前部區(qū)域，其余位置的位移變形量較小，截割頭和截割臂的整體位移呈現(xiàn)向下、向右位置的變形；掘進機承載結(jié)構(gòu)的最大應力為297.5 MPa，最大應力位于回轉(zhuǎn)臺的位置處。從承載結(jié)構(gòu)的整體看，截割臂受到的應力作用較小，回轉(zhuǎn)臺及銷軸連接處的應力相對較大，這是由于在回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動下，回轉(zhuǎn)臺動作帶動截割臂變動，升降油缸通過回轉(zhuǎn)油缸的支撐實現(xiàn)截割臂的上下擺動；截割頭受到的外部載荷作用較大時，通過截割臂及回轉(zhuǎn)臺將截割頭的作用力傳遞至回轉(zhuǎn)臺，并通過連接銷軸將作用力傳遞至升降油缸，回轉(zhuǎn)臺與升降油缸通過銷軸的連接將作用力傳遞出去，回轉(zhuǎn)臺的中心結(jié)構(gòu)決定其承受的應力作用較大。回轉(zhuǎn)臺受到的最大應力小于材料的屈服極限510 MPa，能夠滿足工況一的使用要求。

圖2 工況一掘進機整體的性能分析

2.3 工況二承載結(jié)構(gòu)的性能分析

依據(jù)工況二中的油缸壓力及姿態(tài)對掘進機進行加載，對截割頭在極限加載工況下承載結(jié)構(gòu)的整體位移變形及應力進行模擬計算，得到掘進機承載結(jié)構(gòu)的位移變形及應力分布如圖3所示。

從圖3中可以看出，掘進機承載結(jié)構(gòu)整體的最大變形量為23.2 mm，最大變形位置在截割頭的前部區(qū)域，其余位置的位移變形量較小，截割頭和截割臂的整體位移呈現(xiàn)向下、向左位置的變形；掘進機承載結(jié)構(gòu)的最大應力為212.6 MPa，最大應力位于回轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)支撐的連接位置處，回轉(zhuǎn)臺受到的最大應力小于材料的屈服極限510 MPa，能夠滿足工況二的使用要求?；剞D(zhuǎn)臺在截割頭載荷及回轉(zhuǎn)油缸的推拉載荷作用下，左右兩邊的應力分布呈現(xiàn)不均的狀態(tài)，右邊的應力大于左邊的應力。

圖3 工況二掘進機整體的性能分析

對比兩種工況下掘進機承載結(jié)構(gòu)的應力及變形，可以看到各部件受到的最大應力值均小于材料的屈服極限，承載結(jié)構(gòu)不會因一次載荷的過大而產(chǎn)生破壞。對比兩種工況下的應力分布，不同工況下回轉(zhuǎn)臺的最大應力值隨俯仰角的增加而增加，這說明回轉(zhuǎn)臺受到的作用力與外載荷及自身的工作姿態(tài)相關(guān)。對比兩種工況下的位移變形，最大變形均出現(xiàn)在截割頭的前部區(qū)域，截割臂俯仰角增大時，承載結(jié)構(gòu)的位移變形也隨之增加，但整體變形量較小，對掘進機的性能使用影響較小。

3 結(jié)語

懸臂式掘進機是進行巷道掘進的重要設備，在使用過程中承受井下復雜多變的載荷作用，對掘進機的承載結(jié)構(gòu)性能具有較高的要求。針對懸臂式掘進機的承載結(jié)構(gòu)，選取兩種危險的工況，建立結(jié)構(gòu)模型進行靜態(tài)性能的分析。結(jié)果表明，在兩種危險工況下承載結(jié)構(gòu)的最大應力均小于材料的屈服極限，回轉(zhuǎn)臺的應力較大且在不同工況下的應力分布一致，整體最大位移變形位于截割頭的前部區(qū)域，且隨著俯仰角的增加而增加，但整體位移變形量對掘進機的性能使用影響較小。掘進機在極限工況下的承載結(jié)構(gòu)的性能滿足系統(tǒng)的使用需求，保證了承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。