掘進機截割臂內(nèi)管強度分析與優(yōu)化設計

張竹勤

（晉能控股煤業(yè)集團寺河煤礦，山西 晉城 048205）

引言

掘進機作為煤炭采掘工作必不可少的裝置，隨著煤炭產(chǎn)能的增加，承受的開采強度越來越大[1-2]。目前懸臂式掘進機應用較為廣泛，因其工作環(huán)境較為惡劣，載荷波動較大，傳統(tǒng)掘進機各組成部件均存在過載破壞的隱患[3-4]。隨著懸臂式掘進機掘進工程量的增加，對其組成部件的可靠性要求越來越高，一旦某個部件出現(xiàn)問題，將會影響整個掘進機的工作效率和煤炭產(chǎn)量，現(xiàn)已引起高度重視[5-6]。因此，針對掘進機組成部件可靠性要求越來越高的現(xiàn)狀，以某型號懸臂式掘進機內(nèi)管為研究對象，開展內(nèi)管強度分析和優(yōu)化設計工作，對于提高掘進機環(huán)境適應性和工作穩(wěn)定性具有重要意義。

1 截割臂結構組成及工作原理

服役中的某型號掘進機為橫軸式掘進機，其截割機構由截割臂、截割頭、截割電機、截割減速器等組成，截割電機輸出原動力至減速器進行降速增扭，之后傳輸至截割頭實時旋轉(zhuǎn)截割。掘進機采用的可伸縮截割臂，其結構組成如圖1所示。減速器連接法蘭和電機之間為螺栓連接，伸縮油缸兩側(cè)耳環(huán)分別連接減速器聯(lián)接法蘭和伸縮外筒，伸縮外筒與回轉(zhuǎn)臺固定一起，油缸伸縮驅(qū)動減速器連接法蘭動作，進而帶動電機運動，油缸伸出時電機推動內(nèi)管前移，油缸收縮時減速器連接法蘭推動內(nèi)管后移，完成內(nèi)管和外筒之間的相互運動。

圖1 某型號掘進機截割臂結構組成

2 有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

為了更好地模擬截割臂內(nèi)管工作狀況，采用整個截割臂三維模型進行仿真計算，運用SolidWorks軟件建立截割臂三維模型，因其結構較為復雜，建模時進行了必要的簡化，省略了對分析結果影響不大的倒角、圓角、螺紋等結構。

2.2 材料屬性設置與網(wǎng)格劃分

截割臂內(nèi)管分析時材料屬性設置原則如下：截割臂內(nèi)管設置為塑性材料，牌號為20鋼，材料屬性參數(shù)如下：彈性模量為206 GPa，泊松比為0.25~0.3，屈服強度為245 MPa，抗拉強度為410 MPa。除此之外的其他構件均設置為剛性。

2.3 載荷與約束施加

某型號掘進機在煤炭巷道掘進過程中截割臂同時承受自身重力、回轉(zhuǎn)力矩、推進力、橫向移動力、垂直移動力，經(jīng)受力分析計算得出，截割臂的自身重力約為230 kN，最大回轉(zhuǎn)力矩約為150 kN·m，推進力約為600 kN，橫向力約為200 kN，垂直力約為160 kN。綜上所示，截割臂承受的最大載荷為推進力，因此僅分析截割臂承受推進力工況下的應力即可。具體約束條件參照截割臂安裝情況設置。

2.4 仿真結果

掘進機截割臂內(nèi)管有限元仿真計算前處理工作包括借助SolidWorks三維軟件完成掘進機截割臂內(nèi)管模型的建立，采用ANSYS仿真計算軟件完成內(nèi)管模型材料屬性設置、網(wǎng)格劃分、載荷計算施加和約束條件設置等工作。完成前處理之后啟動ANSYS軟件自帶求解器進行仿真計算，獲取截割臂內(nèi)管的等效應力分布云圖，如圖2所示。

圖2 截割臂內(nèi)管的等效應力（Pa）分布云圖

由圖2截割臂內(nèi)管等效應力分布云圖可以看出，內(nèi)管工作時所受的最大工作應力數(shù)值為224 MPa，位置出現(xiàn)在內(nèi)管臂承載位置，除此之外的其他位置應力數(shù)值較小且分布均勻。與內(nèi)管材料的屈服強度245 MPa相比較，內(nèi)管最大應力數(shù)值較為接近，僅僅相差19 MPa，計算得出其工作的安全系數(shù)僅為1.094。在較為復雜的工作載荷下極易出現(xiàn)內(nèi)管臂撕裂等破壞，導致整個掘進機停止工作，影響掘進機乃至整個綜采工作面的產(chǎn)煤效率和產(chǎn)量，給企業(yè)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失，有必要開展掘進機截割臂內(nèi)管優(yōu)化設計工作，以提高截割臂內(nèi)管強度。

3 優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化方案

掘進機截割臂內(nèi)管強度分析結果顯示，內(nèi)管承載位置存在明顯的應力集中，最大應力數(shù)值接近內(nèi)管材料的屈服強度，工作過程中存在安全隱患，需進行優(yōu)化設計。結構件優(yōu)化設計方法眾多，如更換性能更好的材料、改進熱處理工藝等，由于截割臂內(nèi)管應用技術較為成熟，重新設計計算將會消耗大量的人力、物力和財力，因此決定僅僅針對截割臂內(nèi)管應力集中的局部位置進行優(yōu)化。綜合考慮截割臂內(nèi)管優(yōu)化的難易程度、安裝等因素之后確定采用增加內(nèi)管壁厚的方法進行優(yōu)化設計，即在原來截割臂內(nèi)管壁厚的基礎上增加0.5 mm，提高截割臂內(nèi)管的整體強度，以改善局部應力集中情況。

3.2 優(yōu)化結果

根據(jù)優(yōu)化方案進行截割臂內(nèi)管三維模型的修改，之后再次導入ANSYS有限元仿真分析軟件進行前處理，過程參數(shù)與改進之前一致。完成改進截割臂內(nèi)管前處理之后即可啟動軟件自帶求解器進行仿真計算，提取改進截割臂內(nèi)管等效應力分布云圖，如圖3所示。由圖3可以看出，改進截割臂內(nèi)管最大工作應力為189 MPa，位置依然出現(xiàn)在內(nèi)管臂承載位置，相較于改進之前降低了35 MPa，計算得出改進內(nèi)管臂承載位置安全系數(shù)約為1.3，足以滿足掘進機截割臂惡劣工作環(huán)境中的可靠應用，取得了很好的優(yōu)化效果。

圖3 改進截割臂內(nèi)管的等效應力（Pa）分布云圖

4 應用效果分析

為了驗證掘進機截割臂內(nèi)管優(yōu)化設計的效果，依據(jù)內(nèi)筒有限元仿真分析模型繪制工程圖紙，采用改進之前相同的制造工藝進行內(nèi)筒加工，之后應用于模型號掘進機截割臂，進行為期半年時間的跟蹤記錄。結果表明，改進之后的截割臂內(nèi)筒工作穩(wěn)定可靠，滿足掘進機工作要求。統(tǒng)計結果顯示，改進內(nèi)筒的應用，降低了掘進機近8%故障停機時間，減少了近5%的運行維護成本，避免了截割臂內(nèi)筒過早出現(xiàn)磨損的情況，節(jié)省了近3%的煤炭掘進成本，預計為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟效益90萬元/年，取得了很好的應用效果。