EBZ220型掘進機截割臂伸縮外筒結構分析與改進 *

李文飛

(山西晉煤集團趙莊煤業，山西 長子 046600)

0 引 言

隨著我國經濟的飛速發展，煤炭的需求量越來越大，使得煤炭開采的規模和深度逐年增加，對煤礦開采機械可靠性提出了更高的要求[1]。EBZ220型掘進機作為煤炭開采過程中的重要設備，其應用范圍越來越廣泛，不僅提高了煤礦開采效率，還提高了煤炭企業的經濟效益[2]。研究表明我國年巷道掘進多達600多萬米，其中2/3由掘進機完成，因此必須提高掘進機的掘進效率和可靠性，使其更好地適應礦井內復雜的工作情況[3-4]。掘進機服役條件極其惡劣，截割機構受力情況較為復雜，工作載荷波動范圍較大，這就增加了掘進機所受動載荷過大出現破壞[5]。截割臂作為掘進機的重要組成部分，結構的安全性和可靠性直接關系著掘進機的工作穩定性，尤其是伸縮外筒的強度和剛度[6]。因此對伸縮外筒進行仿真分析，找出應力集中位置，進一步優化改進，對于提高掘進機的工作可靠性具有重要的意義。

1 截割臂結構及工作原理

掘進機包括兩種類型，即縱軸式和橫軸式，橫軸式掘進機截割頭旋轉的軸線垂直與之相連的懸臂軸線，能夠承受較大的煤礦截割阻力，保證足夠的截割能力，應用較廣泛。橫軸式掘進機主要由截割機構、回轉機構、裝運機構、行走機構、液壓系統、電氣系統和噴霧除塵系統組成，其中截割機構主要由工作臂、截割頭、截割電動機、截割減速器和噴霧系統等組成。截割機構工作時由交流電動機輸出驅動扭矩，經由聯軸器傳輸至減速器，驅動截割頭旋轉，實現截割頭的旋轉截割。掘進機截割臂可以借助伸縮油缸實現前后伸縮，其工作原理如下：電機與減速器法蘭之間為螺栓固定，伸縮油缸兩耳環分別連接減速器法蘭和伸縮外筒，伸縮外筒由后座板與回轉臺連接，當油缸伸縮動作時將會使減速器連接法蘭轉動，進而帶動電機運動，油缸伸長的過程中電機向前推動內管向前運動，油缸收縮運動過程中減速器連接法蘭推動內管向后運動，進而達到內管和外管之間的相對運動。

2 截割臂伸縮外筒有限元分析

2.1 幾何模型的建立

為了更真實的分析截割臂伸縮外筒的應力應變狀態，在幾何模型的建立過程中基于EBZ220型掘進機完成了整個截割臂模型的繪制，軟件使用的是SolidWorks三維建模軟件，以此省掉ANSYS內較為復雜的建模過程。將建立好的截割臂三維模型另存為.igs文件，導入ANSYS仿真分析軟件內，為了提高仿真計算的效率，模型進行了必要的簡化處理，去掉了螺紋孔、無關倒角等。其中涉及的截割頭、銷軸和液壓缸用桿梁單元替代，因此在截割臂的三維模型中不再體現。對截割臂三維模型各組件進行材料屬性的設置，其中各個部件的材料力學性能參數如表1所列。

表1 截割臂組件及材料力學性能

2.2 網格劃分

網格劃分的首要任務是進行單元格類型的選擇，對于截割臂三維模型的單元類型選擇堅持一下原則：幾何形狀簡單的使用Solid45單元類型，包括伸縮內管，軸套等；幾何形狀較為復雜的使用Solid92單元類型，包括減速器連接法蘭等。網格劃分還要控制網格疏密的程度，以提高仿真計算的效率，此處重點分析伸縮外筒，將其局部及與之相連的后座板進行網格的細化，結合了梁單元和桿單元分析技術，完成了截割臂的網格劃分，如圖1所示。

圖1 截割臂網格劃分結果

2.3 載荷施加

根據截割臂實際工作情況，確定了其自重約為235 kN，計算得到工作過程中最大的回轉力矩為150 kN·m，進給時截割頭輸出的最大進給力為600 kN，橫向移動輸出的最大橫向力為200 kN，升降過程中輸出的最大垂直力為155 kN。此處僅針對截割臂橫向移動時最大載荷對于整個截割臂伸縮外筒強度及剛度的影響情況。完成截割臂最大橫向載荷的施加之后即可啟動ANSYS仿真計算軟件自帶的分析求解器進行靜力學仿真計算。

2.4 仿真結果分析

仿真計算完成之后進入結果分析環節，此處分析的重點是截割臂伸縮外筒的強度與剛度，強度分析依據Von-Mises屈服準則得到的應力分布云圖，剛度分析依據應變分布云圖完成。此處需從截割臂的仿真計算結果中提取伸縮外筒的應力應變分布云圖進行分析，如圖2、3所示。

圖2 伸縮外筒應力分布云圖 圖3 伸縮外筒應變分布云圖

由圖2可以看出伸縮外筒的最大應力值為457 MPa，存在應力集中的問題，具體位置分布在升降油缸耳環附近的圓環與矩形的過渡位置。與伸縮外筒材料的屈服強度510 MPa對比可以看出二者較為接近，工作過程中一旦出現截割臂載荷的較大波動就會增加伸縮外筒出現破壞的可能，威脅煤炭開采過程中相關人員和設備的安全，應予高度重視。除此之外的其他位置的應力均較低，遠遠小于材料的屈服強度。由圖3可以看出伸縮外筒在全局坐標系中的應變最大值與最小值的差達到了7.1 mm，應變值顯然是不能接受的，產生該問題的主要原因可能是外筒縱向長度較大，應變累積效果較為明顯，需要進一步改進完善以提高伸縮外筒的剛度。

3 改進設計

3.1 改進方案

目前改進結構件應力集中問題的常用方法較多，如更換強度較高的合金材料，提高結構件的整體強度；采用更加先進的熱處理工藝，提高結構件的力學性能均勻性；優化外形尺寸，提高結構件的承載能力等等。此處結合伸縮外筒的結構、改進的難以程度、改進成本等問題，基于應力集中位置的現狀，采用增大升降油缸耳環附近的圓環與矩形的過渡圓角的方法進行優化改進。

3.2 改進結果

伸縮外筒改進之后再次導入有限元分析軟件ANSYS中進行應力應變的分析計算，計算結果如圖4、圖5所示。

圖4 改進伸縮外筒應力分布云圖

圖5 改進伸縮外筒應變分布云圖

由圖4可以看出，改進之后的伸縮外筒升降油缸耳環附近的圓環與矩形的過渡位置的最大應力為243 MPa，相較于未改進之前的最大應力457 MPa，足

足下降了214 MPa，大大提高了伸縮外筒的強度，可見伸縮外筒的改進效果極為顯著。同時由圖5可以看出，改進之后的伸縮外筒，在相對全局坐標系下，最大應變與最小應變的差值為5.2 mm，相較于改進之前的7.1 mm，降低了1.9 mm，對于提高伸縮外筒的剛度具有重要的意義。

將改進之后的伸縮外筒應用于掘進機截割臂，大大提高了掘進機承受水平載荷的能力，降低了變形等故障產生的可能，保證了掘進機的可靠運行。連續運行的半年時間里，掘進機截割臂未出現變形、開裂等故障，為企業創造了更大的經濟效益。

4 結 語

針對掘進機可靠性要求越來越高的現狀，以EBZ220型掘進機截割臂伸縮外筒為研究對象，運用ANSYS有限元分析軟件對其在最大水平載荷作用下的應力應變狀態進行了分析，結果表明，伸縮外筒的升降油缸耳環附近的圓環與矩形的過渡位置存在應力集中問題。通過增加過渡位置的圓角半徑的方法對其進行改進優化，結果表明，改進之后的伸縮外筒的應力集中問題得到了解決，最大應力降低約47%，遠遠低于伸縮外筒材料的屈服強度，大大提高了掘進機截割臂的工作可靠性，實際應用效果顯著。