基于ABAQUS的EBZ260掘進機切割部結構性能分析

韓 將

（晉能控股煤業集團晉華宮礦，山西 大同 037000）

引言

煤炭資源是我國主要的能源之一，推動著我國經濟及技術的快速發展。為提高對煤礦的開采量及效率，各類煤礦開采設備被廣泛應用于煤礦領域。礦用掘進機作為煤礦開采中的關鍵設備，保證其設備的整體結構具有較高的結構性能至關重要，而EBZ260型掘進機則是煤礦中應用較為普遍的設備[1]。由于井下環境的惡劣性，煤礦開采中經常會遇到不同硬度的煤層硬度，加上外界會有落煤沖擊掘進機，導致掘進機中的切割部結構在使用中極易出現結構變形、結構局部開裂及斷裂現象。一旦切割部出現了失效現象，將導致整個掘進機處于停機狀態，加上單個井下開采作業屬于一條產業鏈結構，這將使得整個井下的煤礦開采出現癱瘓現象，這將嚴重影響著煤礦的開采量及效率[2]。掌握掘進機中切割部在使用過程中的薄弱部位，提高其結構性能顯示十分必要。為此，在分析EBZ260掘進機結構特點基礎上，利用ABAQUS 軟件開展了掘進機中切割部的結構性能研究，并提出了切割部的結構改進措施，這對提高掘進機的作業效率及安全性具有重要意義。

1 掘進機結構特點分析

掘進機作為煤礦開采中的重要設備，根據掘進機的布局方式不同，可將其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，但其結構組成基本相同[3]。EBZ260型掘進機結構主要由切割部、行走部、主體、回轉臺、截割頭、裝運部、后支撐部、水路系統、液壓系統、電控系統等幾大部分組成。與傳統的掘進機相比，該型號掘進機的最大高度不超過1.5 m，其機身相對較矮，能實現對井下1.8 m的巷道條件的煤礦掘進作業，有效提高了出煤質量及掘進效率[4]。

切割部作為該型號中的關鍵部件，其結構質量達到了6.5 t，升降油缸的工作壓力最大在22 MPa 范圍內，升降油缸直徑在180 mm 范圍內，工作行程可達到450 mm，主要負責對工作面中的破落煤巖作用，其內部結構包括了切割頭、切割臂、減速機、工作臂等部件，具有單刀工作力大，切割穩定性好等特點[5]，主要利用160 kW的切割電機和二級行星傳動方式進行切割。但由于井下環境的惡劣性，導致切割部在使用過程中出現了局部區域變形、局部開裂及斷裂等失效現象，整體結構強度存在一定的薄弱區域。因此，掌握切割部的受力變化規律，找到其結構的薄弱部位，有針對性地開展結構優化改進設計顯得十分必要。

2 掘進機切割部模型建立

2.1 三維模型

采用PROE 軟件，對切割部進行了三維模型建立。在軟件中，主要切割部中減速機軸承座、減速機臂、切割臂、液壓油缸等部件進行了模型建立，并對模型中所涉及到的圓角、倒角、較小圓孔等非關鍵特征進行了模型簡化，連接螺栓及銷軸等進行了部件省略，僅保留了切割部上的關鍵結構及特征，以提高切割部的分析精度及速度，其三維模型如圖1 所示。

圖1 采煤機切割部三維模型

2.2 仿真模型

結合建立的切割部三維模型，將其保存為x-t 格式后，導入至ABAQUS 軟件中，對其進行了仿真模型建立。由于切割部在實際使用中主要采用了Q345材料，故在軟件中，將切割部的材料屬性賦予了Q345 材料[6]，其材料的關鍵參數如表1 所示。同時，對切割部中各部件之間接觸設置為無穿透式接觸設置。根據切割部的結構尺寸，采用了實體單元模型，四面體網格類型，對其結構進行了網格劃分，網格大小設置為15 mm，局部區域進行了網格加密，劃分后的單元數量為652 456 個，如圖2 所示。另外，對模型中減速器軸承座上施加了32 220 N·m 扭矩，并對切割臂質心處設置向下的65 kN的向下載荷，以模擬切割臂的實際受力情況。

表1 Q345 材料關鍵參數

圖2 掘進機切割部網格劃分圖

3 采煤機切割部結構性能分析

3.1 切割部應力變化

結合前文分析，得到了切割部應力變化圖，如圖3 所示。由圖可知，整個切割部整體結構出現了應力分布不均勻現象，部分區域出現了應力集中情況，最大應力主要集中在切割部的減速箱臂體及減速箱的軸承座靠中間區域，減速箱上的支撐座、前端套環、底部套環等區域也出現較為明顯的應力集中現象，切割臂上其余區域的受力則相對較小。分析其原因：切割部在受到較大扭矩及向下載荷后，由于在其底部受到支撐作用，加上受彎矩作業，致使了整個結構上的較大應力分布區域較大，切割臂上的減速箱軸承座及臂體成為整個結構的薄弱部位，在受到超負荷作業時，則極容易使得整個結構出現結構失效現象，嚴重影響切割部的結構性能。因此，需對切割部進行結構優化改進。

圖3 切割部受力狀態下的應力變化圖

3.2 切割部結構位移變化

結合所建立的切割部分析模型，得到了其結構的位移變化圖，如圖4 所示。由圖可知，切割不整體結構出現了較為明顯的結構變形現象，在切割部前端套環、中間安裝盤、底部套環及減速箱上的支撐座等區域均出現了較大程度的結構變形，沿著減速箱軸承座方向，切割部的變形量呈逐漸減少趨勢，整個結構的變形趨勢較為明顯且均勻變化。分析其原因為：切割部前端由于受到煤層的較大沖擊力作用，加上外部其他方向的載荷沖擊及自身結構的受力特點，導致切割部整體結構出現了較為明顯的結構變形現象。切割部減速箱上底部套環及支撐座在使用中極容易率先發生結構變形或失效現象，成為整個結構的薄弱部位，有必要對其進行結構加強設計。

圖4 切割不使用過程中的結構變形圖

4 切割部結構改進分析

結合前文分析，得出切割部上減速箱中的前端套環、支撐座及后端的軸承座均是整個結構的薄弱部位，在嚴峻作業條件下極容易率先發生結構失效現象。故有必要對其進行結構優化改進，具體如下：

1）提高切割部的材料屬性。可將其材料設計為屈服強度更高的材料，如Q460 材料，可使其材料的屈服強度由345 MPa 提高至460 MPa，以提高其材料的結構強度及性能；

2）修改結構尺寸。在尺寸運行條件下，將前端套環厚度增加2 mm，支撐座結構加大，后端的軸承座直徑加大，以從結構角度增加切割部的結構強度；

3）熱處理工藝改進。在軸承座、支撐座及前端套環加工生產過程中，對其進行調質、淬火的熱處理加工，以提高此些區域的結構強度，降低結構發生失效概率；

4）針對結構中出現的較大應力區域，在非受力部位開設直徑2 mm的圓孔，使得結構上集中的大部分應力能轉移至小孔處，保證整個結構的受力均勻性，減少結構上的應力集中現象；

5）定期對切割部在使用過程中的結構變形等失效情況進行觀察分析，保證軸承座上的潤滑效果，針對出現的失效問題，應及時進行故障排除，以提高切割部的結構強度，降低失效概率。

5 結論

1）切割部的后端軸承座、前端減速箱上支撐座出現了較大應力集中現象，是整個結構中的薄弱部位，極易出現結構失效現象；

2）切割部前端套環、減速箱上支撐座等等區域出現了較為明顯的結構變形，是整個結構的薄弱部位，極易發生結構嚴重變形現象；

3）從材料屬性、結構尺寸、熱處理工藝、應力有針對性的開采切割部的結構改進優化，這對切割部的綜合性能具有重要作用；

4）該研究對掌握切割部的結構變形規律，提高切割部的結構強度及使用壽命具有重要作用。