ZBZ220型煤礦掘進機油缸結構性能的研究

楊海鵬

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

引言

煤礦掘進機作為煤礦生產中的關鍵設備，已憑借其開采效率高、運行穩定、作業安全等特點，在煤礦中廣泛應用。但由于井下環境相對復雜，加上掘進機作業的工況及受力情況也無規律，導致掘進機中關鍵部件長期作業時出現了結構變形、局部開裂、線路短路、控制失靈等問題，掘進機一旦出現停機維修現狀，將嚴重影響井下煤炭的開采效率[1-2]。其中，油缸作為掘進機中的關鍵部件，有效掌握其結構強度及變形規律，提高其部件的使用壽命，對保證掘進機的正常運行至關重要[3]。

1 ZBZ220型掘進機結構特點分析

掘進機作為煤礦生產中的關鍵設備，其結構類型相對較多，包括全斷面掘進機、部分斷面掘進機，細分又可分為單護盾式、雙護盾式、縱軸式等類型。以ZBZ220型煤礦掘進機為分析對象，其結構主要包括截割頭、回轉臺、行走部、升降及回轉油缸、截割臂、液壓系統、水路冷卻系統、潤滑系統等部分[4]，大部分掘進機能滿足煤巖硬度f≤8的煤礦掘進開采要求。整個設備具有掘進穩定、效率高等特點。其中，油缸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。由于掘進機作業環境相對惡劣，導致油缸在作業時經常出現油缸變形、漏油、局部開裂等失效現象，一旦油缸出現了故障現象，整個掘進機將無法正常開采作業，只能停機進行設備維修[5]。由于井下的煤礦開采為閉環作業模式，一旦某一設備出現故障，將會導致整個區域的煤礦開采處于癱瘓狀態。結合當前成熟的有限元分析方法，對油缸在使用中的結構性能進行分析研究十分重要。

2 油缸結構模型建立

2.1 掘進機及油缸三維模型建立

為進一步掌握油缸在使用過程中的結構性能，根據掘進機的結構組成特點，采用Solidworks軟件，對油缸進行了三維模型建立。在建模過程中保留了油缸中的缸體、缸筒及兩端的連接頭等結構，油缸的回油行程設計在600 mm，去除了油缸中不影響其結構性能的非關鍵特征，按照1∶1的比例模型，開展了油缸的三維模型建立。同時，為提高油缸的分析精度，提高分析速度，對油缸中非關鍵圓角、倒角、較小圓孔等特征進行了模型簡化[6]，所建立的掘進機及油缸三維模型如圖1所示。

圖1 掘進機及油缸三維模型圖

2.2 油缸仿真模型建立

將所建立模型保存為x-t格式后，將其導入ABAQUS軟件中，對其進行了仿真模型建立。在建模中，首先將油缸中的缸筒、活塞桿部件進行了Q235材料設置，其材料的關鍵參數如表1所示。同時，在軟件中，將缸筒和活塞桿之間設置為接觸約束，對油缸底端進行了tie綁定約束設置。根據油缸的結構特點，選用了Solid實體單元類型，對油缸進行了四面體網格劃分，網格大小設置為10 mm，單元數量為64 772個。另外，在軟件中，在油缸中活塞桿上施加了沿桿方向的軸向載荷，載荷大小設置為21 MPa，以此模擬油缸在實際作業時的受力情況。由此，完成了油缸仿真模型的建立。

表1 Q235材料關鍵參數

3 油缸結構性能分析

3.1 工況條件確定

由于掘進機的作業工況相對較多，在不同工況條件下，油缸及其他部件的受力情況也不盡相同。因此，選用了掘進機在工況1和工況2條件作為此次分析的重點。掘進機工況1即為截割臂的俯仰角和水平角為0°時，此時左右油缸的行程情況相同，工況1如圖2所示。掘進機的工況2即為截割頭的俯仰角與水平面呈-25°，水平角呈28°，使其右側油缸完成處于壓縮狀態，工況2如圖3所示。

圖2 掘進機工況1示意圖

圖3 掘進機工況2示意圖

3.2 油缸在不同工況下的結構強度分析

3.2.1 工況1條件下結構強度分析

根據所建立的掘進機油缸的仿真模型，得到了油缸在工況1條件下的應力變化圖，如圖4所示。由圖可知，油缸此種處于壓縮狀態，整體結構上的應力分布較為均勻，在活塞桿的上端呈現了較為明顯的應力集中且分布不均勻現象，活塞桿與銷軸連接塊之間的最大應力值為175.19 MPa，雖未超過活塞桿的屈服強度235 MPa，但活塞桿上呈現了應力集中問題。缸筒的下端應力相比其他區域的應力值也更高。分析其原因為油缸在作業時由于受到來自回轉臺及掘進機自身重力影響，為使掘進機發出移動，則其自身將受到了較大的外部載荷作用。由此，掌握了油缸在此工況下的結構強度變化規律，得出活塞桿上端為整個結構的薄弱點，在使用時需重點觀察此區域情況。

圖4 工況1下油缸的應力變化圖

3.2.2 工況2下油缸的結構強度圖

通過仿真分析，得到了油缸在工況2條件下的結構應力變化圖，如圖5所示。由圖可知，此時處于壓縮狀態，缸筒及活塞桿均出現了應力分布不均勻現象，其中，最大應力出現在活塞桿上端與銷軸連接孔處，最大應力值達到了230.81 MPa，已基本達到了其材料的屈服強度235 MPa，活塞桿從上端到下端的應力呈逐漸減小趨勢。整個缸筒上的應力值則相對較小。分析其原因為：在此工況下，掘進機不僅處于水平偏移狀態，同時截割頭也呈向下作業狀態，這給油缸的升縮狀態造成了較大外部阻力，從而增加了油缸整體結構的受力情況。由此，找到了油缸在此工況下的變化規律和結構上的薄弱部位，在其實際使用過程中，需重點對活塞桿上端進行關注和維護保養。

圖5 工況2下油缸的應力變化圖

4 油缸結構改進

結合前文對油缸結構強度的分析，掌握了油缸在不同工況下使用時的變形規律；在兩種工況下，油缸中活塞桿上端與銷軸孔連接處均為整個結構的薄弱部位。為提高油缸的使用壽命，有必要對油缸進行升級改進設計，改進點主要包括如下：

1）將油缸的材料由Q235材料改為屈服強度更高的Q345或45號鋼，使其結構的屈服強度能達到345 MPa以上，提高油缸自身材料的強度；

2）將油缸活塞桿的壁厚增加2 mm，外徑也增加2 mm，相應的缸筒尺寸也做相應的調整，并對活塞桿上端與銷軸孔連接處的焊縫進行消除應力處理；

3）在最大應力集中區域附近，開設直徑為Φ2 mm的較小圓孔，以實現集中的應力能轉移一部分至圓孔處，降低油缸上的應力集中現象；

4）定期對活塞桿及缸筒界面處進行潤滑維護，保證其結構接觸部分具有較小的接觸應力。

5 改進后油缸的應用效果

結合所提出的幾點油缸改進措施，按照此改進思路，開展了油缸的結構改進及6個月實際應用。采用應力傳感器，對油缸上的應力變化情況進行了檢測，經測定，油缸上的應力明顯降低，活塞桿上的最大應力值也明顯減小，油缸運行更加穩定，整體結構性能達到了改進后的預期效果。