掘進機回轉油缸的疲勞特性分析

龐燕飛

（晉能控股煤業集團朔州朔煤王坪煤電公司， 山西 朔州 038300）

引言

掘進機是目前煤礦應用最廣泛、機械化程度最高的掘進設備[1]。隨著開采深度的加深，開采環境的逐漸惡劣，對掘進機的各方面要求也越來越苛刻。不僅要求掘進機能夠快速掘進巷道，而且要求在安全的基礎上，掘進機可滿足各種井下惡劣環境，保證掘進任務的及時完成。目前國內應用最多的為懸臂式掘進機[2]。本文主要以懸臂式掘進機的結構為基礎，分析了懸臂式掘進機的回轉油缸的疲勞特性。

1 懸臂式掘進機的結構分析

懸臂式掘進機的主要部件是截割頭，截割頭是與煤壁接觸的主要裝置，截割頭一般呈錐形形狀，截齒在裝置上分布軌跡為三條螺旋線，是掘進機的主要耗損部件。截割頭連接在截割臂上，截割臂主要是由主軸、伸縮臂、伸縮油缸等裝置組成，通過油缸的伸縮來完成相關動作。回轉臺是通過鑄造來制作的，截割部通過回轉臺來實現左右回轉的動作[3]。升降油缸給于回轉臺上下擺動的動力驅動，實現上下運動。回轉油缸通過銷軸連接回轉臺和本體架，給于設備實現左右擺動的驅動力。本體架在整個機械的中間位置，通過加厚鋼材焊接而成，是整套設備的主體結構。

圖1 掘進機結構圖

2 掘進機回轉油缸的疲勞特性分析

當設備的機構承受到低于其極限載荷力的反復作用而發生破裂損壞的現象是疲勞，在實際生產中，許多零部件的損壞都是由于材料的疲勞損耗引起的。通常將疲勞分為高周疲勞和低周疲勞。

回轉油缸的疲勞特性分析需要編寫回轉油缸的程序加載譜，首先確定回轉油缸的一維加載譜長選擇37 500 次作業循環，由于油缸存在拉動和推動兩個動作，并且兩個動作的工作比例為1∶1，這就確定了回轉油缸拉動載荷和推動載荷兩個動作的一維加載譜長均分為18 750 次。載荷幅值是疲勞分析中的一個重要參數，能夠比較明確地反映出疲勞分析中結果的可靠性和結果的可信度。本文中采用將二維載荷譜等效均值為0 MPa 的一維程序加載譜，其中的等效方程式如公式（1）：

式中：Pa為載荷幅值；Peq為等效載荷幅值；Pm為載荷均值；Pb為極限壓力載荷。

ANSYS Workbench 中的 Fatigue Tool 可以對回轉油缸的疲勞特性進行分析，主要是基于結構有限元的靜態分析[4]。通過查數據手冊得出，回轉油缸的缸體材料設置為45 鋼，活塞桿材料為40Cr。靜態分析完成后，引入疲勞工具，定義類型為History Data，導入上文中的一維程序加載譜如下頁表1。采用低-高- 低的加載方式，分析應力疲勞，設置Stress Component 為Equivalent，添加回轉油缸的疲勞結果就可以得到回轉油缸的疲勞壽命。

3 優化改造措施

回轉油缸的疲勞分析壽命分布圖如下頁圖2 所示，通過觀察可以發現在回轉油缸的端部銷軸孔處是最小疲勞壽命出現的地方，最小應力循環為35 132 次，載荷譜輸入的時間周期為375 000 次載荷循環，也就是說每天掘進機工作8 h，回轉油缸可以持續工作3.47 年，分析結果與朔州煤礦實際生產中回轉油缸的使用年限基本一致，說明有限元分析結果是合理的。

表1 回轉油缸載荷數據一維載荷譜

4 結論

圖2 回轉油缸的疲勞壽命分布圖

根據分析結果可以判定，掘進機的油缸缸體和活塞桿能夠完全滿足設計需要，但是銷軸孔容易出現疲勞失效狀況，這就需要進行材料優化改造。提出油缸端部銷軸連接處使用35CrMo 材料，實踐表明，使用該材料能夠增強端部的疲勞特性，增強抗屈服能力。