掘進機截割臂減速器連接法蘭強度分析與改進

原權全

（華陽集團壽陽開元礦業有限責任公司，山西 晉中 045405）

引言

掘進機是綜采工作面內的關鍵設備。掘進機中服役條件極為苛刻的當屬截割臂，既承受動力設備的驅動力作用[1-2]，又承受煤層截割反作用力，極易出現故障[3-4]。截割臂減速器連接法蘭作為截割臂動力傳輸的關鍵部件，其可靠工作要求極高，也是最容易出現問題的結構，如耳環斷裂破壞等[5-6]。因此針對某型號掘進機截割臂減速器連接法蘭耳環出現斷裂問題，借助有限元仿真分析軟件，開展截割臂減速器連接法蘭強度分析與優化設計工作。

1 掘進機工作原理及存在問題

某型號掘進機結構形式為橫軸式，其結構包括截割機構、回轉機構、裝運機構和控制系統等。截割結構的主要任務是落煤，回轉機構的主要任務是調整截割位姿狀態，裝運機構的主要任務是將截割下落的煤炭裝載運出，控制系統的主要任務是實現整個煤炭截割工作的自動控制。截割機構還可以細分為截割頭、工作臂、電機、減速器等，工作時電機輸出的動力經減速器之后作為截割頭的輸入動力，驅動截割頭實現煤炭掘進功能。掘進機長時間使用時出現了截割臂減速器連接法蘭耳環斷裂，表現為開焊開裂現象，影響掘進機的正常運行。

2 有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

按照截割臂實際尺寸，運用Pro/E 三維建模軟件完成了截割臂三維模型的建立工作。為了降低模型導入ANSYS 仿真計算軟件時出現問題的概率，建模時，在不影響仿真分析結果的前提下，對模型結構進行了必要的簡化處理。

2.2 材料屬性設置和網格劃分

截割臂仿真模型材料屬性設置過程中除連接法蘭之外的結構件全部設置為剛性，連接法蘭所用材料牌號為ZG35CrMo，材料屬性參數如下：彈性模量為206 GPa，泊松比為0.25～0.3，屈服強度為510 MPa，抗拉強度為740 MPa。完成材料屬性設置之后啟動自由劃分網格功能，即可完成截割臂仿真模型網格劃分工作。

2.3 約束設置和載荷施加

結合掘進機實際工作狀況得出截割臂自身質量約為250 kg，計算得出掘進工作時截割臂所受的最大推進力為600 kN，工作時危險性最大。截割臂仿真分析時僅對其施加推力載荷，根據截割臂與掘進機實際連接情況進行截割臂的約束設置。

2.4 仿真結果

借助ANSYS 仿真計算軟件完成截割臂減速器連接法蘭仿真分析前處理工作，包括材料屬性設置、網格劃分、約束設置、載荷施加等，之后即可開啟仿真軟件內部求解器進行靜力學仿真分析。計算結束選取截割臂減速器連接法蘭Von Mises 等效應力分布云圖，如圖1 所示。

圖1 截割臂減速器連接法蘭等效應力（Pa）分布云圖

由圖1 所示的截割臂減速器連接法蘭等效應力分布云圖可以看出，工作過程中法蘭所受的最大應力為486 MPa，位置處于法蘭右側耳環和減速器連接的位置，此處為焊接結構，存在明顯的應力集中現象。截割臂減速器連接法蘭所用的材料牌號為ZG35CrMo，其屈服強度數值為510 MPa，其工作最大應力486 MPa，雖然未超過屈服強度，但是十分接近，計算得出安全系數僅為1.05。因掘進機截割臂工作條件較為惡劣，工作過程中隨著煤層厚度硬度等的變化，其承受的截割力變化范圍較大，因截割臂減速器連接法蘭的安全系數較低，一旦截割臂出現臨時過載，極有可能導致法蘭耳環斷裂，使煤炭掘進工作面工作停滯甚至出現安全事故，給煤炭企業帶來巨大的經濟損失，有必要開展改進優化工作。

3 改進設計

3.1 改進方案

常用結構件應力集中問題的改進措施種類較多，如改進結構件的制備材料，提高結構件整體的強度；優化結構件的尺寸參數，充分發揮結構件的強度潛力；改進結構件的加工工藝，提高結構件的加工質量；改進結構件應力集中位置的尺寸，降低過渡截面突變程度。掘進機截割臂減速器連接法蘭應力集中的改進方案需要考慮其實際工作情況、改進工作量大小、改進方案實施的難易程度等，綜合以上因素，掘進機截割臂減速器連接法蘭采用優化應力集中位置尺寸的方案進行改進。具體實施方案是在原來法蘭結構的基礎上將耳環與減速器連接位置的過渡圓角半徑增大1 mm，實現連接位置的平滑過渡，以降低連接位置的應力集中。

3.2 改進結果

完成截割臂減速器連接法蘭耳環和減速器連接位置過渡圓角改進之后修改法蘭三維模型，再次導入ANSYS 仿真計算軟件進行前處理，要求處理過程及參數設置與改進之前一致。啟動仿真計算求解器，提取改進之后截割臂減速器連接法的等效應力分布云圖，如圖2 所示。由圖2 可以得出，截割臂減速器連接法蘭的最大接觸應力為424 MPa，位置依然處在耳環和減速器連接位置。相較于法蘭結構改進之前，最大工作應力降低了62 MPa。相較于法蘭結構改進之前，最大工作應力降低了62 MPa。相較于法蘭材料的屈服強度，計算得出改進之后的安全系數為1.2，足以滿足掘進機截割臂減速器可靠工作的要求。

圖2 改進截割臂減速器連接法蘭等效應力（Pa）分布云圖

4 應用效果評價

為了驗證截割臂減速器連接法蘭改進設計的實際效果，將改進之后的法蘭應用于某型號掘進機截割臂減速器之中，進行了為期4 個月的跟蹤記錄。結構表明，改進后的截割臂減速器連接法蘭工作穩定可靠，未出現耳環斷裂破壞故障。統計結果顯示，應用改進截割臂減速器連接法蘭之后，實現了截割臂減速器連接法蘭零故障的目標，減少了近10%截割臂減速器連接法蘭運行維護成本，提高了近8%的掘進機使用時間，降低了煤炭掘進成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近100 萬元/年，取得了很好的應用效果。

5 結論

針對某型號掘進機截割臂減速器連接法蘭耳環存在過載斷裂的問題，借助ANSYS 仿真計算軟件，開展了截割臂減速器連接法蘭強度分析工作，結果表明，法蘭耳環和減速器連接位置存在應力集中是導致過載斷裂的主要原因。通過增大法蘭耳環和減速器連接位置的過渡圓角半徑，改善了應力集中情況，最大應力值降低了62 MPa。應用結果表明，改進法蘭之后未出現截割臂減速器連接法蘭故障，減少了近10%截割臂減速器連接法蘭運行維護成本，提高了近8%的掘進機使用時間，為煤炭企業新增經濟效益近100 萬元/年。