EBZ220 掘進機銷軸在不同工況下的結構強度分析

段鵬鵬

（山西省高平市科興米山煤業有限公司，山西 高平 048400）

引言

礦用掘進機作為煤礦開采中的關鍵設備，將其成功應用到煤礦開采中，保證其高效的開采效率及性能穩定性十分必要[1]。但由于井下環境的復雜性，加上掘進機作業工況的相對復雜，導致掘進機作業時經常出現各類故障問題，其中，油缸與各部件之間的連接銷軸在使用過程中經常出現結構變形、局部開裂等問題，一但銷軸斷裂，將會使整個掘進機處于癱瘓停機維修狀態，嚴重影響著整個礦井中煤礦的開采效率[2]。為此，采用了有限元分析方法，以EBZ220型掘進機為分析對象，開展了銷軸在不同工況下的結構強度研究，提出了銷軸的結構改進措施。這對提高銷軸使用壽命及結構性能具有重要意義。

1 掘進機組成分析

掘進機是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，根據其功能特點，將其分為了全斷面掘進機、部分斷面掘進機，細分又可分為單護盾式、雙護盾式等類型[3]。以EBZ220 型掘進機為對象，該設備中的關鍵部件包括截割頭、截割頭軸、伸縮油缸、減速器輸出軸、回轉臺、回轉油缸、銷軸、行走部、控制系統等組成，通過各部件的相互配合，實現設備的掘進采煤作業[4]。其中，回轉臺、油缸是整個結構中關鍵部件，由于井下環境的惡劣性，導致該些部件在使用時經常出現了結構變形、局部開裂等失效現象[5]。而設備中的銷軸也是該設備中的主要受力部件，包括升降油缸截割電機之間的1 號連接銷軸、回轉油缸與回轉臺之間的2 號連接銷軸等，如圖1 所示。由于設備經常處于偏載狀態，致使銷軸也出現了變形、開裂或斷裂等失效現象，不斷對銷軸進行結構性能分析及優化研究，已成為當前研究的重點。

圖1 EBZ220 型掘進機結構圖

2 銷軸模型建立

2.1 銷軸三維建立

根據掘進機的結構特點，重點對設備中的1 號和2 號銷軸進行結構性能研究。采用了Solidworks 軟件，按照EBZ220 型掘進機中銷軸的實際結構尺寸，對其進行了三維模型建立。在建模時，將銷軸兩端的圓角、倒角及鎖緊孔進行了特征簡化，僅保留了銷軸的關鍵受力區域，可有效提高銷軸的分析精度及效率，由此，完成了銷軸的三維模型建立。

2.2 銷軸仿真模型建立

在完成銷軸的三維模型建立后，將其保存為x-t格式，導入至ABAQUS 軟件中，對其進行了仿真模型建立。根據銷軸的實際使用特點及材料情況，在軟件中將銷軸的材料設置為Q235 材料，其材料密度7 850 kg/m3，材料屈服強度為235 MPa；彈性模量206 GPa；許用強度180 MPa。同時，將銷軸按照實體單元類型進行了設置，網格類型選擇了六面體網格類型，網格大小設置為5 mm，銷軸網格劃分后如下頁圖2所示。銷軸與鉸接連接處的約束主要設置為旋轉和接觸約束，以保證與實際作業情況相吻合。另外，由于掘進機的工況相對較多，故確定了工況一和工況二。工況一條件下，設置的俯仰角為-26°，水平角為28°，油缸施加載荷為21 MPa；工況二條件下，設置的俯仰角為44°，水平角為-28°，油缸施加的載荷為21 MPa[6]。

圖2 銷軸網格劃分圖

3 銷軸結構強度分析

3.1 工況1 下銷軸結構強度分析

通過對兩個銷軸的仿真分析，得到了其結構應力變化圖。由圖3-1 可知，1 號銷軸整體結構出現了不同程度的應力集中現象，最大應力值出現在銷軸的中間區域的一側，為144.84 MPa，但未超出材料的屈服強度235 MPa，并向銷軸兩端呈逐漸減小的變化趨勢。由圖3-2 可知，2 號銷軸也出現了中間區域一側的較大應力集中現象，最大應力值與1 號銷軸相比更低，為130.76 MPa，而銷軸兩端的應力則呈逐漸減少趨勢，與1 號銷軸的受力情況基本相同。分析其原因為銷軸在工況1 條件下受到油缸與銷軸孔之間的較大外界載荷作用，且中間區域主要是由于油缸的升或降導致的，出現了銷軸中間一側的較大應力。因此，在實際使用過程中，需對其進行重點檢查及維護，保證銷軸的結構安全性。

圖3 工況1 下銷軸應力變化圖

3.2 工況2 下銷軸結構強度分析

通過分析，得到了銷軸的工況2 條件下的應力變化圖（圖4）。由圖3 和圖4 的銷軸應力變化可知，兩根銷軸的受力情況基本相同，均是整體結構出現了分布不均勻的應力集中現象，在中間區域的一側的應力值達到了最大值，最大值分別達到了194.39 MPa 和141.11 MPa，但也未超過其材料的屈服強度235 MPa，其中，1 號銷軸的應力值相對較高；由銷軸中間區域向兩端，銷軸上應力呈逐漸減小的變化趨勢。分析其原因為：由于工況2 為掘進機截割部分為舉升狀態，導致1 號銷軸除了受到油缸的支撐力作用，也受到截割部的自身向下的重力作用，致使1 號銷軸所受到的應力值相對更高，而2 號銷軸主要受到來自水平方向的阻力，故受力情況與工況1 下基本相同。若銷軸長時間處于此工況下工作，極容出現結構失效現象，故需對銷軸進行結構優化改進。

圖4 工況2 下銷軸應力變化圖

4 銷軸改進措施

根據前文分析，1 號和2 號銷軸在不同工況下均出現了不同程度的應力集中現象，最大應力主要集中在銷軸中間區域的一側，為提保證銷軸在不同工況條件下均具有較高的結構強度及性能，故制定了銷軸的改進措施，具體如下：

1）將銷軸的材料由當前的Q235 材料改為屈服強度更高的Q345 材料，使其材料的屈服強度提高至345 MPa，保證銷軸具有更好的結構強度；

2）在銷軸完成加工后，可對其進行調質、淬火等熱處理操作，保證銷軸具有更高的強度和剛度；

3）將銷軸的直徑增加4～5 mm，相應的鉸接孔和油缸連接孔尺寸也做相應的增加調整，也能提高銷軸的整體強度；

4）在銷軸中間一側區域的非應力集中區域開設直徑較小的小孔，可考慮Φ2 mm，以將銷軸上集中的應力轉移至小孔處，有效緩解銷軸的應力集中現象；

5）在掘進機不同工況作業時，應重點對銷軸中部受力區域進行檢查，若發出銷軸出現磨損嚴重、變形或局部開裂等現象，可對其進行及時的維護保養，銷軸與銷軸孔之間定時添加潤滑油，以降低受力部位的摩擦力。

5 結論

1）對銷軸在不同工況下的結構強度進行分析研究，得出結論：1 號和2 號銷軸的中間區域一側均出現了較大程度的應力集中現象，是整個結構的薄弱部位。

2）從材料、結構、熱處理加工、維護保養等方面提出了銷軸的結構改進措施，以保證銷軸的結構強度及使用壽命、提高設備的安全性。