基于ANSYS的EBZ260掘進機截割頭結構性能分析

于敬澤

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

引言

目前，煤礦在我國化石能源中仍然占比為65%左右，煤礦的消耗量巨大，同時伴隨著社會經濟的轉型，煤礦產業也不斷往更高層次的機械化方向發展，煤礦開采設備也得到不斷發展。煤礦開采主要包括落煤、轉運、支護、監控、防護等生產技術，其中掘進機主要負責煤礦的截割、破碎，極大地提高了煤炭開采的效率。

掘進機常與液壓支架和帶式輸送機聯合使用，三種設備之間相互配合，完成對煤礦的開采及運輸。基于ANSYS Workbench 對EBZ260型掘進機關鍵部件結構進行分析，可以了解結構應力分布情況，對于掘進機的結構設計具有重要參考意義，有助于提高設備的可靠性以及適應壽命[1]。

1 EBZ260掘進機概述

EBJ260型掘進機是一種結構緊湊、可靠性好且應用廣泛的一款采礦用掘進機。根據我國目前煤礦的分布特征，相關統計顯示接近600 萬m3的巷道掘進量是由掘進機完成，占所有掘進開采量的70%左右，所以掘進機對保障煤炭的生產具有非常重要的作用。掘進機的整機結構主要包括截割機構、液壓系統、電氣系統、走行機構等。

掘進機的主要工作機構包括截割頭、減速器、懸臂結構、回轉平臺和滑架組成，為掘進機直接工作部件。工作部件的使用壽命提高可提高設備的使用效益，提高企業的生產效率。掘進機采用液壓傳動方式，液壓系統的動力來源是一臺45 kW的電動機，驅動一套齒輪泵。圖1 所示為掘進機結構示意圖[2]。

圖1 EBZ260掘進機

2 截割頭的載荷分析

鎬齒一般固定安裝于掘進機截割頭上，截割頭上有旋轉運動，截割頭具有縱向伸縮能力，鎬齒的空間位置可以用以截割頭為圓柱中心的圓柱坐標系來表示鎬齒的位置。可以將第i 個鎬齒位置表示為zi，其齒尖的坐標可以用旋轉角度θi以及齒尖回轉半徑ri，軸向距離用Z 來表示。掘進機在工作時，截割頭上每個鎬齒均切如煤巖，做非連續性的煤層切削，因此截割頭實際工作狀態下承受了較大的連續性的載荷沖擊。為了準確地分析鎬齒的受力情況，為截割頭仿真分析提供有力參考，需對結構的受力情況進行分析[3]。

鎬齒在實際切削過程中，可以假設沿切削其所受切削反作用力為Fs，可利用Evans 理論計算得到如下關系式：

式中：h1為鎬齒切割的深度；β 為鎬齒自身齒尖傾斜角度；X 為巖層的硬度比，需根據實際工作環境進行換算。由于鎬齒也做旋轉運動，因此切削力的大小與方向也在不斷地改變，從而存在一個力的加速度的問題。該加速度的方向是沿著螺旋線的方向，根據計算公式可以得到鎬齒上三個作用力Fs、Fr、Ft它們三者之間的關系，如下頁圖2 所示[4]。

圖2 截割頭鎬齒的受力情況

3 建立分析模型

3.1 幾何模型

截割頭仿真模型的建立，如下頁圖3 所示，為截割頭安裝結構示意圖，鎬齒可以在齒座內自由旋轉。在建模時忽略不影響結構強度計算的細小特征，如小圓孔、凸臺等，建模時假定齒座底面完全約束。

圖3 鎬齒的安裝示意圖

3.2 材料屬性

根據掘進機實際結構材料的特性，齒座材料為16Mn，鎬齒材料為35CrMoSi，合金刀具的材料采用硬質合金XG07。其中16Mn 彈性模量E 為213 GPa，泊松比0.32，屈服強度366 MPa，35CrMoSi 與硬質合金材料參數分別為，彈性模量為212 GPa、213 GPa，泊松比0.31、0.284，屈服強度361 MPa、820 MPa。基于ANSYS 軟件的APDL對截割頭結構強度進行分析，鎬齒與齒座之間采用接觸，齒座固定在截割體上[5]。

3.3 網格劃分

模型網格單元類型選擇Solid45 單元，采用自由網格劃分方法對模型網格進行處理，設置齒座與鎬齒之間接觸關系，選用CONTA174 作為接觸單元，網格劃分得到138 101 個單元和627 412 個節點。

3.4 載荷與邊界

載荷與邊界條件的設置對模型計算結果影響較大，因此需盡可能模擬出截割頭的真實受力情況。模型邊界條件的設定，在齒座的地面施加全約束，由于鎬齒與齒座之間焊接連接，因此可以設置剛性約束。鎬齒所受的主要三個載荷Fs、Fr、Ft隨工作角度的變化而變化，因此可根據鎬齒受力函數關系確定[6]。

4 應力分析結果

對截割頭結構強度的分析，以第四強度理論為依據，提取了鎬齒、齒座分析計算結果，根據應力分布情況，對結構提出優化改進方案。

從圖4-1 可知，鎬齒最大應力值為618 MPa，若不考慮應力集中的影響，可知最大應力的分布位置位于刀尖附近。鎬齒其他位置的應力分布較小，此區域可以理解為在實際工作中接觸煤層的區域。且仿真得到最大應力值小于材料的屈服強度820 MPa，滿足結構強度要求。

從圖4-2 可知，齒座上最大應力值為180 MPa，最大應力值點是與鎬齒相互作用而產生，位于齒座孔內與端面的交界位置。根據安全系數公式，即材料屈服極限強度除以最大應力值，得到鎬齒安全系數為1.33，齒座安全系數為2.001。由于在所施加的載荷中，已考慮了沖擊載荷，所以結構強度基本滿足設計要求。

圖4 鎬齒、齒座應力（Pa）分布情況

從圖5-2（見下頁）可知，可以得到鎬齒桿最大應力為334 MPa，最大應力值位于桿的端面與齒座相連接的部位。當鎬齒與煤層接觸時，反作用力在鎬齒桿上產生了一定的傾覆力，為了抑制傾覆力在鎬齒桿的轉角處，也即鎬齒與齒座的相接觸的區域，產生了應力集中。且在工作狀態下，受到脈沖疲勞載荷的作用，容易在鎬齒桿根部產生疲勞斷裂，結構對掘進機的使用壽命具有重要影響。

圖5 由孔接觸應力和鎬齒桿應力分布情況（Pa）

如下頁圖5 所示，分別為孔接觸區域與鎬齒桿應力計算結果，從圖中可以得知接觸對處最大應力位于接觸端面上，最大應力值為373 MPa。鎬齒桿最大應力值為334 MPa，在端面接觸中發生了旋轉現象，此處的應力集中情況較為明顯。

5 截割頭的結構優化

根據有限元分析計算的結果，截割頭各部件強度均滿足了設計要求要求，但應注意，結構設計的合理性。截割頭部件包括支撐座、驅動軸、截割體、鎬齒等組成；支撐座通過螺栓與懸臂實現連接，鎬齒安裝在齒座上，齒座通過焊接方式連接在截割體上。

根據截割頭結構強度的分析計算結果，為了提高設備的使用壽命，應對鎬齒桿的臺階應力集中情況進行優化，臺階采用圓弧過渡處理；為了防止巖煤灰落入驅動軸，保護驅動軸，可以增加一個密封卡環，提高工作驅動穩定性。

6 結論

掘進機在煤礦開采中的應用極大地提高了煤礦開采效率，但由于其自身結構受力情況復雜需要對其主要承力部件進行結構分析，以提高設備的使用壽命。以EBZ260型掘進機截割頭為研究對象，主要研究并分析了鎬齒、齒座、鎬齒桿在最惡劣工況下應力分布情況。由計算結果得知接觸對處最大應力位于接觸端面上，最大應力值為373 MPa，但小于材料的屈服強度820 MPa，滿足結構強度要求。為了提高設備的使用壽命，對鎬齒桿的臺階應力集中情況提出優化改進措施，采用臺階采用圓弧過渡處理，可以有效降低應力集中情況。