掘進機履帶板結構的優化

張建國

（山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司開拓三隊， 山西 昔陽 045300）

引言

掘進機為綜采工作面采掘的主要設備，其生產能力直接決定巷道的掘進效率和掘進質量。目前，工作面以履帶式掘進機為主。履帶作為掘進機的行走機構，在掘進過程中承擔支反力、傾覆力矩和相關動載荷[1]。實踐表明，履帶式掘進機在實際掘進過程中存在附著力不夠、打滑以及不能自動排出履帶內淤泥的問題。為保證掘進機的掘進效率，本文著重對履帶板結構進行優化設計。

1 掘進機履帶板的動力學分析

1.1 履帶式掘進機概述

本文以EBZ-135型掘進機為研究對象，該掘進機為斷面掘進機。EBZ-135型掘進機主要由截割機構、裝載機構、液壓系統、行走機構、電氣系統、轉運機構、張緊機構、履帶、行走架、鏈輪、馬達以及行走減速機等組成。本文著重對履帶式掘進機的行走機構進行研究。

履帶式行走機構分為有支重輪和無支重輪兩種結構[2]。其中，有支重輪的行走機構內阻力大，導致設備行走困難。本文對無支重輪履帶式掘進機的行走機構進行研究。為徹底發現履帶式掘進機行走機構所出現的問題，結合實際生產的問題總結對行走機構進行分析。

1.2 履帶式掘進機行走機構的強度校核

在通過仿真分析行走機構運行狀態真實反應的前提下，可將掘進機行走機構簡化為驅動輪、導向輪、履帶板和機架。首先，基于UG三維建模軟件分別對上述零部件進行建模；然后，基于UG三維建模軟件將各個零部件按照相應的約束裝配為整體，并對裝配完成后的裝配體進行干涉檢查。所搭建掘進機行走機構的三維模型如圖1所示。

圖1 掘進機行走機構三維模型

將如圖1所示的三維模型導入ANSYS軟件中，并根據實際情況對三維模型施加相應的約束、接觸力和外部載荷等，使其成為一個完成的動力學模型。經實踐表明，當掘進機在轉彎工況運行時，其履帶板所承受的載荷最為嚴峻，最容易出現行走機構零部件的磨損和破壞[3]。因此，以轉彎工況為主對履帶板的受力情況進行仿真分析。

根據EBZ-135型掘進機行走機構的參數對其在三維有限元仿真模型中進行設置，主要為履帶板的材料參數。經仿真分析可得：

1）驅動輪與履帶板相接觸時，履帶板所承受的載荷以壓力為主，且最大變形量僅為0.018 3 mm，最大應力為17.1 MPa，遠小于其許用應力值154 MPa。因此，當驅動輪與履帶板接觸時，履帶板材料強度滿足生產需求。

2）當履帶板與地面相接觸時，其所承受的載荷為履帶板的拉力，其最大變形量為0.024 6 mm，最大應力僅為11.6 MPa，遠小于其許用應力154 MPa。因此，當履帶板與地面接觸時，履帶板強度滿足生產需求。

綜上所述，在轉彎工況下履帶板的強度滿足實際生產需求，不會出現零部件磨損、破壞問題。但是，在實際掘進過程中發現掘進機履帶板存在附著力小、排泥能力差的問題，從而導致設備掘進效率低、工作人員勞動強度大[4]。因此，接下來將針對上述兩個問題對掘進機履帶板結構進行優化。

2 履帶板結構的優化

2.1 履帶板現狀分析

EBZ-135型掘進機履帶板的結構如圖2所示。

圖2 掘進機履帶板結構

分析圖2可知，導致掘進機行走機構打滑的主要原因為原履帶板結構沒有履刺，無法保證設備與地面之間形成足夠的附著力。而且，原掘進機履帶板存在眾多的凹槽，導致地面的淤泥容易堆積于凹槽部位；另外，堆積于凹槽部位的淤泥無法自動排出，需作業人員手動清理，大大降低了掘進機的掘進效率。

2.2 履帶板結構的優化

2.2.1 增加履帶板與地面附著力

為保證履帶板優化后仍具有足夠縱向剛度和扭矩剛度，本文為提升履帶板的地面附著力采用如下優化方案：在原履帶板上增加地筋，并將地筋采用左右對稱的結構布置，通過地筋與地面之間的剪切力達到增加履帶板與地面附著力的目的。

為驗證增加地筋后履帶板的驅動力，基于如圖1所示的三維模型對比增加地筋前后掘進機的最大牽引扭矩，仿真結果如下：

履帶板結構未優化前，掘進機行走機構的最大牽引扭矩值為88 kN·m；增加地筋后，掘進機行走機構的最大牽引扭矩值為110 kN·m。但是，即使為履帶板增加地筋后可在短時間內提高其牽引扭矩，隨著工作面的推進，在履帶板內堆積淤泥導致設備出現側滑的現象，進而導致其最大牽引力力矩下降為96 kN·m。因此，還需針對履帶板堆積淤泥的情況對其結構進行優化設計。

2.2.2 提升履帶板自動排污能力

為保證履帶板處所堆積的淤泥能夠自動排出，將所增設的地筋與水平面成一定的角度。值得注意的是，在保證履帶板能夠自動排污的同時，還需確保設備的驅動性能[5]。因此，需對地筋與地面的角度進行推理驗證。

基于上述優化原則，將履帶板上兩頭的地筋呈現60°或45°的角度布置，中間地筋為橫向布置，并對優化后設備的驅動扭矩進行對比。

經對比可知，地筋與水平面成60°和45°時，設備的驅動扭矩相差不大，均在100 kNm左右浮動。不同的是，隨著工作面的推進，60°地筋自動排除淤泥的能力更強。

綜上所述，在履帶板兩頭布置與地面呈60°的地筋，中間布置橫向地筋的方式對履帶板結構進行優化。

2.3 優化后履帶板結構的強度校核

為驗證優化后履帶板結構的強度和性能要求，同樣選用在轉彎工況下對掘進機進行分析。經仿真分析可得如表1所示的結果。

表1 轉彎工況下履帶板嚙合力的對比

分析表1可得，對履帶板增加60°的地筋后，在轉彎工況下，掘進機驅動輪的嚙合力明顯得到提升。

將地筋結構添加至如圖1所示的三維模型中，經干涉檢查后對優化后履帶板的強度進行校核。經仿真分析可得，優化后履帶板的最大變形量為0.029 mm，最大應力為223 MPa，遠小于其許用應力值465 MPa，即優化后履帶板的強度滿足生產要求。

3 結論

掘進機為工作面的關鍵掘進設備，其掘進效率直接決定巷道的掘進速度和質量。本文著重對掘進機行走機構的履帶板結構進行優化，具體總結如下：

1）原履帶板結構在最為惡劣的轉彎工況下強度滿足生產需求。

2）針對原履帶板附著力不夠的問題，采用為其增加地筋的改造思路；在保證設備附著力的同時增加設備自動排除淤泥的能力，將地筋與水平面成60°的方式進行安裝。經仿真分析，優化后履帶板的驅動扭矩明顯優于原履帶板結構。

3）對優化后的履帶板進行仿真分析可得：在轉彎工況下驅動輪的嚙合力明顯得到提升，且應變和應力均在許用范圍之內。