ZBZ160型礦用掘進機在使用過程中的結構性能分析

茹 鵬

（晉能控股晉城煤炭事業部晉圣上孔煤業有限公司，山西 晉城048000）

0 引言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，實現井下高效率、智能化的開采作業已成為當前實施煤礦改造升級的重要方向。而保障設備的高性能作業效率顯得尤為重要[1]。礦用掘進機作為煤礦開采中的關鍵設備，由于存在井下環境惡劣、煤層較硬、煤灰較多、作業時間較長、落石較多等復雜情況，加上掘進機的作業姿態也相對較多，導致設備在實際開采中出現了不同程度的結構變形、局部開裂、控制失靈等異?，F象，而在單一開采區域中，所有設備之間均是相互配合的閉環作業模式，一旦掘進機出現了故障或停機維修問題，將嚴重影響著整個煤礦的開采效率及產量[2]。因此，利用當前成熟快速的有限元分析方法來對掘進機整機結構強度進行分析研究顯得十分必要。為此，以ZBZ160型礦用掘進機為分析對象，通過建立該設備的有限元分析模型，開展了該設備在2種工況下的結構性能研究，提出了設備結構性能改進的措施，實際指導意義較大。

1 掘進機結構分析

掘進機作為煤礦生產中的關鍵設備，其結構類型相對較多，根據掘進機的布局方式不同，可分為橫軸式和縱軸式類型，根據巷道中單軸的抗壓強度的不同，可將其分為半煤巖和硬巖型掘進機。以市場上常用的ZBZ160型礦用掘進機為例，該設備的結構主要包括主要包括截割頭、截割臂、回轉臺、行走部、油缸、液壓系統、控制系統、潤滑系統等部分[3]，如圖1所示，可適應煤巖硬度f≤8的工作面開采任務。其中，油缸則是掘進機中的關鍵部件主要由活塞桿、缸筒、缸頭、缸尾、油塞等組成，負責設備的上下舉升、水平面回轉作業則主要通過油缸的伸縮來實現[4]。而截割頭結構主要包括圓錐臺形，作業時直接與煤巖進行接觸，實現對煤巖的開采破壞作用。但由于井下環境的復雜性，設備經常會處于超負荷、超長時間作業等狀態，加上所開采煤層的硬度不同，導致該設備整體及部分關鍵部件極容易出現各類故障問題[5]。為此，將重點對掘進機在不同工況下作業時的結構性能進行研究分析。

圖1 ZBZ160型礦用掘進機結構組成圖

2 掘進機結構分析模型建立

2.1 三維模型建立

根據掘進機的結構組成特點，為分析其結構的整體結構性能，采用了Solidworks軟件，對其進行了三維模型建立。所建立的模型主要包括掘進機的回轉臺、截割頭、升降油缸、回轉支架、回轉油缸等部件，按照各部件之間的相互配合關系，對其進行了模型裝配。同時，為減少模型的分析時間，提高模型的分析精度，對模型中的非關鍵圓角、倒角、圓孔等特征進行了模型簡化，僅保留了整體結構的關鍵受力部件[6]。所建立的掘進機部分結構模型圖如圖2所示。

圖2 掘進機部分結構三維圖

2.2 仿真模型建立

將建立的掘進機三維模型保存為x-t格式后，導入至ABAQUS軟件中，對其進行仿真模型建立。由于掘進機在使用中基本采用的Q345材料，故在軟件中首先對其進行材料屬性設置，將其材料設置為Q345材料，材料的主要參數見表1，軟件中設置界面如圖3所示。同時，由于掘進機中關鍵部件均為實體類型，故對其進行了Solid實體單元類型設置，在網格劃分時將網格類型設置為12 mm，進行了四面體網格劃分，劃分后的模型網格數量約1 121 554個。在軟件中，將油缸與回轉體、截割部的連接處進行了鉸接連接，底部進行了tie固定約束，部件之間進行了面面接觸約束。由此，完成了掘進機的仿真模型建立。

圖3 材料屬性設置界面

表1 Q345材料關鍵參數

2.3 作業工況確定

由于掘進機的作業工況相對較多，無法一一對其作業工況進行分析研究。故確定了工況一和工況二條件對其進行分析研究。其中，工況一條件為：將截割臂中的俯仰角和水平角設置為0°，保證左右油缸處于相同的支撐狀態，此工況的作業安全性相對較高；工況二條件為：將截割臂中的俯仰角和水平角分別設置為-25°和25°，使其一邊的油缸處于最大的壓縮狀態，另一側油缸處于最大行程，此工況為最為威脅狀態。

3 掘進機結構性能分析

3.1 工況一下結構性能分析

結合前文確定的掘進機作業工況一作業條件，得到了掘進機在此工況下的結構強度圖，如圖4所示。由圖可知，掘進機整體結構出現了應力分布不均勻現象，在回轉臺、升降油缸、伸縮油缸等部件均出現了較大程度的應力集中現象，最大應力值達到了230.81 MPa，集中在左側的升降油缸的活塞桿銷軸孔處，未超過材料的屈服強度345 MPa，整體結構相對安全。但油缸及回轉臺是此種工況下的主要受力部件，若在此工況下長時間的作業，將極可能使整個掘進機出現結構失效問題，故要求油缸、回轉臺等結構需具有較好的結構強度及性能特點。

圖4 工況一下掘進機應力變化圖

3.2 工況二下結構性能分析

針對掘進機在工況二下的作業情況，得到了掘進機的結構強度變化圖，如圖5所示。由圖可知，掘進機整體結構也出現了不同程度、無規律的應力集中現象，其中，在回轉臺、升降油缸上的應力值相對較高，最大應力值達到了413 MPa，出現在回轉臺上，已超過了材料的屈服強度345 MPa；而截割臂上應力值則相對較小。分析其原因為：在此工況下，由于截割頭及截割臂此時處于向上仰角狀態，而回轉臺則處于水平狀態，較大的沿斜面向下的作用力傳遞到了回轉臺上。

圖5 工況二下掘進機應力變化圖

為進一步分析回轉臺的受力情況，提取了回轉臺的應力變化圖，如圖6所示。由圖可知，回轉臺上的最大應力值達到了413MPa，出現在回轉臺與回轉支撐軸連接的中間區域，超過了材料屈服強度345MPa；回轉臺的左右兩側鉸接連接孔及平面上也出現了較大程度的應力集中現象。因此，在此工況下，需重點對回轉臺的受力情況及結構性能進行跟蹤、維護和保養。以保證掘進機整個設備的作業安全性。

圖6 工況二下回轉臺應力變化圖

4 掘進機優化改進

結合前文分析，得到了掘進機在,2種工況下的受力情況，可知：掘進機中回轉臺和油缸的受力相對較高，是整個結構的薄弱部件，其中，回轉臺的受力相對更高。為保證掘進機的高效作業，故需對掘進機中的關鍵部件進行結構優化改進，具體如下：

1）針對回轉臺及油缸結構，可提高其材料的材料屬性，選擇材料屈服強度更高的材料，以提高回轉臺及油缸的結構強度。

2）在回轉臺設計加工時，對其中部回轉支撐處進行調質淬火等熱加工處理，并對上表面的進行精加工處理，表面粗糙度控制在0.15，由此，可提高此部位的結構強度。

3）對中部回轉支撐處、鉸接連接處應力集中區域開設較小孔徑的圓孔，直徑2～3 mm，可使集中的應力轉移至小孔處，以降低結構上的應力集中現象。

4）將油缸活塞桿的壁厚增加2～3 mm，外徑也增加2～3 mm，對活塞桿上端與銷軸孔連接處的焊縫進行消除應力處理。

5）定期對回轉臺及油缸缸筒界面處進行結構變形、潤滑性能等方面維護保養，掌握該些部件的變形規律，針對其出現的異常情況，需及時對其進行維修或更換等操作，以保證回轉臺、油缸的作業安全性。

5 結論

針對掘進機復雜的作業工況，針對其現場使用中出現的各類故障問題，采用當前成熟的有限元分析方法，對其進行結構性能研究，是當前提高設備改進效率和作業安全性、減少研發成本投入的有效方法。為此，以ZBZ160型礦用掘進機為分析對象，對其開展了2種工況下的結構性能研究，得出如下結論：

1）掘進機在工況一條件下，回轉臺、升降油缸、伸縮油缸等部件均出現了較大程度的應力集中現象，雖未超過其材料的屈服強度，但在長時間作業工況下極容易率先出現結構失效問題，存在一定的安全隱患。

2）在工況二條件下，掘進機中的回轉臺、升降油缸均出現了較大程度的應力集中，其中，回轉臺上的應力值已超過其材料的屈服強度，在此復雜工況下長期作業，存在嚴重的故障失效隱患，需對其進行結構優化改進。

3）從材料屬性、結構組成、結構尺寸、后期維護保養等方面提出了掘進機的結構優化改進措施，可為掘進機的實際優化改進提供重要的指導作用。

4）該研究對掌握掘進機及關鍵部件在不同工況下的受力情況及變形規律具有重要作用，也為指導設備整體性能的提供改進優化提供了重要指導和參考，實際指導價值較大。