采煤機支撐滑靴耳板斷裂問題分析與改進

齊 英

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

引言

采煤機作為煤炭采掘工作的關鍵設備，其服役環境惡劣，工作條件復雜，不僅直接與煤層接觸承受較大的沖擊反力，還要承受煤層冒頂、片幫帶來的附加載荷，因此，必須引起高度重視[1-3]。支撐滑靴是采煤機工作過程中的關鍵部件，一旦出現故障導致整個綜采工作面的停工停產，影響采煤機的工作效率和煤炭產量，給企業帶來巨大的經濟損失[4-6]。因此，針對某煤炭企業服役采煤機支撐滑靴耳板斷裂問題，借助ANSYS workbench有限元仿真分析軟件，分析支撐滑靴耳板斷裂問題產生原因，完成優化改進工作具有重要意義。

1 支撐滑靴斷裂問題

采煤機工作過程中出現失效問題較多的部件為截割部分和行走機構，其中行走機構中出現失效概率較高的為支撐滑靴，主要失效形式為磨損和耳板斷裂。當采煤機支撐滑靴出現失效時，引起處于采煤機的機身底部，更換工作極為困難，統計表明，更換一組采煤機支撐滑靴需要6~7 h，勞動強度大，并且需要停止整個綜采工作面的生產作業，影響工作面設備的利用率和煤炭企業的產量。采煤機支撐滑靴工作時受力狀態較為復雜，傾斜狀態下工作支撐滑靴內部會產生應力，導致耳板根部斷裂問題。某煤炭企業服役采煤機支撐滑靴出現了耳板斷裂故障，如圖1所示，更換支撐滑靴的過程導致綜采工作面停工停產約8.5 h，給煤炭企業產生了大量資源浪費和經濟損失，因此需要研究支撐滑靴斷裂的原因，避免斷裂故障的再次發生。

圖1 支撐滑靴耳板斷裂實物圖

2 支撐滑靴斷裂原因分析

支撐滑靴出現斷裂故障的原因可能是結構設計存在缺陷或者承受力較大的沖擊載荷，確定具體斷裂原因的常規方法是分析斷口形貌、觀察金相組織、檢測化學成分等，工作量大、分析過程耗時長、分析結果過分依賴于分析人員的經驗等。為了提高支撐滑靴斷裂問題原因分析的效率和準確性，此處采用ANSYS workbench有限元仿真分析軟件開展工作，以便更快更好地確定采煤機支撐滑靴耳板斷裂的原因。研究表明，采煤機前、后支撐滑靴在傾角α=7°、仰角β=-10°時承受的工作載荷最大，基于此，開展支撐滑靴耳板斷裂問題分析。

2.1 支撐滑靴三維模型的建立

查閱采煤機隨機材料，配合現場實際測繪結果，獲取支撐滑靴結構尺寸。運用SolidWorks軟件完成支撐滑靴三維模型的建立，因支撐滑靴結構較為復雜，模型導入極易出現問題，對其進行了必要的簡化，省略了支撐滑靴中的倒角、圓角等對分析結果影響不大的因素，以便提高仿真計算效率。

2.2 材料屬性設置與網格劃分

將支撐滑靴三維模型另存為.IGS格式文件，導入ANSYS workbench有限元仿真計算軟件進行材料屬性設置，支撐滑靴材料牌號為35CrMo，其材料屬性參數如下：彈性模量為200 GPa，抗拉強度為970~990 MPa，屈服強度為840 MPa，泊松比為0.3。之后進行支撐滑靴的網格劃分，選擇四面體單元類型，運用自由劃分方法進行網格劃分，結構如下頁圖2所示。

圖2 支撐滑靴網格劃分結果

2.3 載荷和約束施加

采煤機傾斜工作狀態時支撐滑靴受力狀態較為復雜，是其出現斷裂故障狀態的關注焦點，因此按照采煤機前、后支撐滑靴在α=7°、β=-10°時計算其受力情況，確定仿真計算載荷。計算得出前支撐滑靴垂直方向上承受的最大支反力為435 kN，后支撐滑靴垂直方向上的最大支反力為1 023 kN，將其施加于前、后支撐滑靴對其進行強度分析。對支撐滑靴銷軸連接孔施加完全約束，模擬其實際工作狀態。

2.4 仿真結果分析

完成支撐滑靴有限元分析前處理工作之后即可啟動ANSYS workbench軟件自帶求解器進行仿真計算，計算得出采煤機前、后支撐滑靴的應力應變云圖如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

圖3 前支撐滑靴應力（Pa）分布云圖

圖4 前支撐滑靴變形（mm）分布云圖

圖5 后支撐滑靴應力（Pa）分布云圖

圖6 后支撐滑靴變形（mm）分布云圖

由圖3、圖4采煤機前支撐滑靴的應力應變分布云圖可以看出，前支撐滑靴危險工況下工作時的最大應力值為108.7 MPa，出現在前支撐滑靴的煤壁側，處于銷軸孔的中部位置，相較于支撐滑靴材料的許用應力490 MPa較小，具有足夠的安全使用系數；前支撐滑靴危險工況工作時的變形最大值僅為4.485 mm，處于前支撐滑靴導向溝槽的兩端位置，最大應變較小，滿足采煤機支撐滑靴的實際工作要求。由圖5、圖6采煤機后支撐滑靴應力應變分布云圖可以看出，后支撐滑靴危險工況下工作時的最大應力值為527.8 MPa，與前支撐滑靴一樣，出現在后支撐滑靴的煤壁側，處于銷軸孔的中部位置，相較于后支撐滑靴材料的許用應力490 MPa，超出了37.8 MPa，使用過程中存在超載斷裂的可能，不滿足采煤機支撐滑靴安全可靠工作的要求，有待于進行優化改進；后支撐滑靴危險工況下工作的變形最大值為8.971 mm，同樣出現在后導向滑靴煤壁側的導溝位置，應變值較小，滿足支撐滑靴的現場工作要求。

3 支撐滑靴原因分析與優化

采煤機前、后支撐滑靴危險工作狀況下的強度分析結果可以發現，支撐滑靴出現斷裂問題的主要原因是銷軸孔中部位置存在應力集中現象，最大應力值超出了耳板材料的許用應力，同時支撐滑靴耳板根部與基體連接位置倒角較小，是支撐滑靴結構中極易出現破壞的位置。上述兩種因素使得支撐滑靴耳板使用過程中出現了斷裂，因此，對結構進行優化設計。

3.1 優化方案

結構件存在應力集中情況的優化方法如下：更換力學性能更好的加工材料；優化結構件原有加工材料的熱處理工藝方法；改進結構件的加工制造工藝；增加結構件應力集中位置的尺寸等。結構采煤機支撐滑靴材料、熱處理工藝、制造工藝等較為成熟，尺寸選擇增加結構尺寸的方法進行支撐滑靴的優化設計工作。在確保支撐滑靴可以安裝使用的前提下，將支撐滑靴耳板的厚度方向各增大6 mm，同時將耳板與基體連接位置的圓角半徑尺寸增大2 mm，完成支撐滑靴結構尺寸優化之后進行仿真分析。

3.2 仿真結果

對改進之后的后支撐滑靴結構進行三維模型的修改，另存為.igs文件之后再次導入ANSYSWorkbench仿真計算軟件進行前處理工作，前處理過程中的計算參數值與改進之前相同，結果如圖7、圖8所示。由圖7、圖8仿真計算結果可以看出，改進的后支撐滑靴的最大應力值為245.94 MPa，相較于改進之前降低了53.4%，遠遠小于支撐滑靴材料的許用應力值，滿足支撐滑靴的強度要求；與此同時，改進后支撐滑靴的變形最大值為8.075 mm，相較于改進之前降低了10%，應變數值較小，滿足支撐滑靴工作過程中的剛度要求。

圖7 后支撐滑靴應力（Pa）分布云圖

圖8 后支撐滑靴變形（mm）分布云圖

由此可見，增加支撐滑靴耳板厚度和與基體連接位置圓角尺寸能夠有效改進其結構強度，具有很好的改進效果。按照支撐滑靴優化之后的結構尺寸進行生產制造，應用過程中工作穩定可靠，1年時間內未出現斷裂問題，取得了很好的應用效果。

4 結論

1）耳板斷裂的主要原因是后支撐滑靴耳板銷軸孔位置存在應力集中問題，最大應力為527.8 MPa，超出了材料的許用應力，使用過程中存在安全隱患。

2）通過增加后支撐滑靴耳板厚度和耳板基體連接位置的圓角尺寸的方法完成了后支撐滑靴的改進優化。分析結果表明，相較于改進之前的后支撐滑靴，改進之后的最大應力降低了53.4%，最大應變降低了10%，改善了后支撐滑靴的應力集中情況，提高了后支撐滑靴的結構強度和剛度。