采煤機調高油缸的優化改進研究

盧金強

（晉能控股麻家梁煤業有限公司， 山西 朔州 036000）

引言

采煤機工作時直接與煤壁發生作用，其運行過程的可靠性和穩定性會對采煤效率產生直接影響。采煤機由多個部分構成，截割部對采煤效率的影響最為顯著[1]。調高油缸是截割部液壓系統的重要機械結構，主要作用是對截割部進行支撐，并根據實際情況對截割部高度進行調整[2]。調高油缸能否可靠穩定運行會在一定程度上影響采煤機運行的可靠性，進而影響設備的運行效率[3]。調高油缸運行時內部壓力的變化情況、位移變形和應力分布情況等都是反映其工作穩定性的重要指標[4]。利用Ansys 軟件對調高油缸工作時的應力、應變及其內部壓力進行分析，并對其結構進行優化，在一定程度上提升了調高油缸的性能。對于保障采煤機運行的穩定性具有一定的實際意義。

1 采煤機及調高油缸概述

本研究主要以MG400/930 型采煤機為研究對象，此設備屬于電牽引的雙滾筒采煤機，具有很好的工作穩定性與可靠性，與其他采煤設備配合使用可以實現整個采煤過程的機械化和自動化操作[5]。如圖1 所示為MG400/930 型采煤機的主體結構示意圖。由圖1 可以看出，采煤機是一個非常龐雜的系統結構，內部包含多個機械結構和液壓控制系統。螺旋滾筒與煤壁發生接觸并采集獲得煤炭，需通過調高油缸來控制螺旋滾筒的高度。調高油缸分別與截割部和液壓控制系統連接，是液壓控制系統的執行元件。液壓控制系統通過控制調高油缸內部液壓油的容量實現調高油缸伸縮的控制，從而實現螺旋滾筒高度的控制[6]。

圖1 采煤機主體結構示意圖

調高油缸由多個零件構成，包括缸筒、端盤、活塞、活塞桿。對于調高油缸而言，活塞桿和缸筒的規格尺寸是非常關鍵的參數，對調高油缸性能有重要影響。MG400/930 型采煤機液壓缸筒的內徑和外徑尺寸分別為200 mm、250 mm，活塞桿的直徑和長度分別為120 mm、1 000 mm。

2 調高油缸有限元模型的建立

2.1 三維模型建立

根據MG400/930 型采煤機調高油缸的實際結構尺寸，利用Pro/E 軟件繪制調高油缸的三維幾何模型。繪制模型時對不同的零件進行單獨繪制，再進行裝配。將建立好的模型分別導出為.iges 格式，以便導入Ansys 軟件中進行有限元模型的建立。為了加快模型計算速度，在建立模型時對一些倒角、倒圓等細小結構進行忽略處理。

2.2 有限元模型建立

在Ansys 軟件中需要根據實際情況賦予對應結構件材料屬性，調高油缸使用的材料為27SiMn，查閱材料手冊可知該材料的彈性模量和泊松比分別為209 GPa、0.3，密度（體積質量）大小為7 890 kg/m3。模型中還需要分析液壓油與油缸之間的相互作用，因此還需要賦予液壓油基本屬性，使用的液壓油型號為N#100 號抗磨液壓油，密度（體積質量）大小為860 kg/m3。需要說明的是，在Ansys 軟件中輸入材料屬性時必須嚴格按照國際制單位輸入。網格劃分同樣是有限元模型建立的關鍵，網格劃分的質量不僅會影響模型計算的速度，也會影響模型最終計算的結果。Ansys 軟件中提供了多種類型的網格劃分方法，本案例中使用自動網格劃分方法，選用四面體網格單元類型，最終劃分得到的網格單元數量和節點數量分別為11 334 和13 492。還需要設備調高油缸的自由度，主要限制了油缸底部位置的六個自由度，活塞桿的自由度不受限制，載荷作用在活塞桿的頭部位置。

3 調高油缸的靜力學分析結果

調高油缸工作時內部充滿液壓油，正常工作時液壓油會對缸體產生一定的沖擊，并且液壓油與缸體、活塞桿之間會產生相互作用力，使調高油缸整體產生一定的變形。如圖2 所示為調高油缸工作時的靜力學分析結果，圖2 中顯示了調高油缸的總變形量、等效應變和等效應力分布云圖。由圖2 可知，不管是總變形量還是等效應變和等效應力，其分布情況均呈現出顯著的不均勻性，不同位置的變形量、應變和應力值存在一定的差異。調高油缸的總變形量與彈簧的變形量情況類似，即從油缸底部至活塞桿頭部，變形量依次增大，出現這種情況的原因在于活塞桿頭部屬于受力點，所以其變形量最大，此情況基本與實際情況吻合，變形量的最大值為1.13 mm。調高油缸的最大應變值出現在活塞與活塞桿接口部位，分析原因在于活塞桿與活塞的尺寸存在一定差異，尺寸的突變導致該部位出現了顯著的應變集中現象。由圖2 中可知最大等效應變為0.001 398 8?；钊麠U頭部位置和活塞桿本身的等效應力值與其他區域相比較更大，特別是頭部位置的應力值最大，達到了253 MPa。分析可能的原因在于活塞桿直徑與油缸相比較要小，所以更容易出現應力集中現象。

圖2 調高油缸的靜力學分析結果

4 調高油缸的優化改進分析

由上述分析可以看出，由于原調高油缸在結構上的缺陷，如活塞桿與活塞直徑尺寸差異過大，導致兩者接觸部位出現了顯著的應變集中現象，活塞桿尺寸偏小，導致活塞桿尤其是頭部位置出現了明顯的應力集中現象。這些現象的存在均不利于調高油缸運行過程的穩定性和可靠性，所以有必要對調高油缸的結構尺寸進行優化改進。具體改進方案如下：在保證油缸厚度不變的情況下，將內徑擴大到210 mm，同時將活塞桿直徑調整到140 mm，其他結構參數保持不變。

根據優化改進后的調高油缸結構尺寸，再次利用Ansys 軟件建立對應的有限元模型，模型建立過程中所有的外部條件和材料參數均與優化前完全相同。結果發現，調高油缸優化改進后，其總變形量、等效應變和等效應力的分布云圖與優化改進前相比較，整體分布規律基本相同，但最大值均出現了不同程度地降低，如表1 所示為優化改進前后調高油缸的靜力學分析結果對比情況。由表1 數據可知，優化改進后調高油缸的總變形量、等效應變、等效應力最大值分別為0.78 mm、0.000 94 和192 MPa，與優化改進前相比較降低比例分別達到了30.97%、32.37%和24.11%。

表1 優化前后調高油缸靜力學分析結果對比

進一步對比分析了調高油缸在承受外部載荷沖擊作用時，腔內液壓油壓強的變化情況，如圖3 所示為優化前后油缸腔內壓強變化的對比情況。由圖3可知，在第5 s 時調高油缸承受沖擊載荷，腔內壓強突然變大，且呈現出振蕩的特點，最終在7 s 以后基本保持穩定。在其他條件完全相同的情況下，通過對結構的優化改進使得調高油缸在承受沖擊載荷時，腔內壓強出現了一定程度降低。原調高油缸壓力振蕩時最大壓強與最小壓強之間的差值為8.32 MPa，優化后的壓強差值為7.78 MPa，降低幅度為6.5%左右，說明優化后的調高油缸運行穩定性更高。

圖3 優化前后油缸腔內壓強變化的對比情況

將優化后的調高油缸部署到MG400/930 型采煤機工程實踐中，經過現場測試發現整體運行穩定。通過此次調高油缸的優化改進，進一步提升了采煤機運行過程的穩定性和可靠性，初步分析認為調高油缸的使用壽命可以提升20%以上。

5 結論

調高油缸作為采煤機中重要的結構件，作用是對截割部進行支撐并且實現高度的調整。因此其運行穩定性會對截割質量和效率產生重要影響。以MG400/930 型采煤機為對象，利用Ansys 軟件對其調高油缸的靜力學情況進行分析，發現存在一定的缺陷問題，在此基礎上進行優化改進，結果如下：

1）調高油缸的總變形量、等效應變和等效應力值均出現了大幅度降低。

2）在沖擊載荷作用下缸內液壓油的壓強也出現了一定程度地降低，顯著提升了調高油缸運行的穩定性和可靠性。

3）將優化后的調高油缸部署到工程實踐中，初步分析其使用壽命可提升20%以上。