煤礦掘進機回轉油缸疲勞斷裂問題分析與改進

楊 健

（晉能控股裝備制造集團有限公司寺河煤礦二號井， 山西 晉城 048000）

引言

煤炭資源作為人們日常生產生活不可或缺的重要資源之一，隨著經濟社會的發展，需求量逐年增加, 相較于石油和天然氣等能源，我國煤炭儲量富足，在未來很長時間內將處于不可替代的位置[1]。煤炭開采時的首要任務是巷道掘進，其掘進的時效性直接關系著煤礦井下采煤的產量和效率，目前煤炭巷道掘進工作主要采用掘進機完成，這就要求掘進機工作必須可靠，方能保證巷道掘進的快速高效[2-4]。眾所周知，掘進機工作環境極為惡劣，對關鍵結構件的機械性能要求較高，其中回轉油缸作為掘進機關鍵部件之一，負責截割頭的回轉運動，實現掘進機的橫向截割功能[5]。一旦回轉油缸出現問題，將會導致掘進機故障停機，影響煤炭企業的產能和效率[6]。因此，針對某煤炭企業服役掘進機回轉油缸出現斷裂的問題，開展斷裂問題分析與改進研究具有重要意義。

1 掘進機關鍵結構組成及存在問題

掘進機作為煤礦巷道掘進的重要設備，由于綜采深度、地質條件、開采環境等的不同，服役環境極為復雜。掘進機工作時若承受較大的沖擊，會引起掘進機的隨機波動，對其關鍵結構部件的可靠性要求極高。圖1 給出了掘進機關鍵結構組成部件，包括截割頭、截割臂、回轉臺、升降油缸和回轉油缸，其性能的好壞關乎整個掘進機的掘進速度。上述關鍵結構件必須具有足夠的靜強度和疲勞性能，因結構設計方法較為保守，通常靜強度安全系數均在2.0 以上，重點關注的應該是疲勞性能。某企業出現回轉油缸連接銷孔斷裂的問題，因此，為了提高掘進機的工作可靠性，有必要開展回轉油缸疲勞強度分析與改進工作。

圖1 掘進機關鍵結構組成

2 回轉油缸疲勞性能分析

2.1 疲勞的分類

疲勞是結構件在不高于極限載荷工況下反復運行出現破壞的現象。統計顯示，工程應用過程中接近九成的結構部件失效破壞是因疲勞導致的。疲勞失效包括高周疲勞破壞和低周疲勞破壞兩種，其中高周疲勞是指循環次數在104～109區間工作時出現的，所受載荷低于結構件材質的極限強度，結構件應力疲勞破壞多以高周疲勞方法計算；低周疲勞是指循環次數較低情況下出現的，結構件的塑性變形大多會與低周疲勞有關，是短疲勞壽命，通常應變疲勞破壞多以低周疲勞方法計算。

2.2 疲勞分析工具

結構件疲勞分析常用的工具為ANSYS Workbench 中的Fatigue Tool 模塊，屬于定制的疲勞快速分析工具，計算方法較為成熟，涉及應力疲勞理論，綜合考慮了平均應力、載荷條件與疲勞強度系數等因素，合理使用了線性累積損傷理論開展結構疲勞性能分析計算，其中的載荷和疲勞失效的關系采用應力-壽命曲線（S-N 曲線）表示。

2.3 疲勞分析

運用ANSYS Workbench 中自帶Fatigue Tool 模塊開展回轉油缸的疲勞強度分析，首先查閱機械工程材料性能數據，確定掘進機回轉油缸材料的S-N曲線。根據服役掘進機的設計資料及使用說明等材料得到回轉油缸缸體的材質牌號為45 號鋼，伸縮活塞桿和銷軸連接位置的材質牌號為40Cr。完成靜態分析之后插入Fatigue Tool 疲勞分析模塊，定義的載荷形式為History Data，加載方式為低-高-低，分析類型選擇應力疲勞分析（Stress Life），設置Stress Component 為Equivalent（Von Mises）。完成回轉油缸疲勞分析前處理設置之后，即可啟動ANSYSWorkbench有限元仿真軟件自帶求解器，進行疲勞性能分析。

2.4 仿真結果

啟動ANSYS Workbench 有限元仿真軟件自帶求解器進行回轉油缸疲勞性能計算，提取回轉油缸疲勞分析結果，如圖2 所示為回轉油缸疲勞壽命分布云圖。

圖2 回轉油缸疲勞分布云圖

由圖2 可以看出，掘進機回轉油缸的最小疲勞壽命數值為65132 次應力循環，出現最小疲勞壽命的位置在兩端銷軸孔位置，是回轉油缸疲勞強度較為薄弱的位置，與該煤炭企業掘進機回轉油缸出現疲勞破壞的位置和情況基本吻合，是其出現疲勞破壞的主要原因。

利用軟件仿真過程中載荷譜輸入的時間歷程周期是375000 次載荷循環，結合掘進機實際截割一個巷道斷面需要回轉油缸工作的實際時間280 s，掘進機的日工作時長為8 h，統計計算可以獲得掘進機回轉油缸疲勞應力最大位置的壽命為3.47 年，這與掘進機回轉油缸軸孔位置出現疲勞破壞的時間基本一致。因此掘進機回轉油缸的改進工作應該由回轉軸孔位置著手進行，方可提高回轉油缸整體的疲勞強度和壽命。

3 改進設計

由掘進機回轉油缸疲勞性能分析結果和壽命計算數據得到，其工作過程中回轉油缸兩端的銷軸連接位置存在疲勞壽命薄弱環節，其余油缸缸體和活塞桿的疲勞壽命足夠滿足掘進機正常工作的要求，因此，改進設計重點是兩端銷軸連接位置。相關結構件優化改進設計方法包括以下幾種：一是更換回轉油缸銷軸連接位置的材料，盡量選擇與銷軸材料一致，屈服強度較高的材料，此處銷軸材料牌號為35CrMo；二是在回轉油缸銷軸連接位置鍍層，耐磨高疲勞材料鍍層，類似材料較少，不易選擇；三是增加回轉油缸銷軸連接位置的結構尺寸，該方法會增加回轉油缸的整體質量，可能會影響銷軸的尺寸和使用慣量，不利于掘進機工作的穩定性保證。此處選擇將回轉油缸銷軸連接位置更換成35CrMo 材料的方法進行改進設計。

4 驗證分析

為了驗證掘進機回轉油缸銷軸連接位置由原來的40Cr 改進成銷軸材料35CrMo 之后的疲勞性能，重新將改進之后的回轉油缸模型導入ANSYS Workbench 有限元仿真計算軟件中進行仿真計算。提取改進回轉油缸疲勞壽命分布云圖發現，疲勞回轉油缸疲勞壽命較低的位置依然在銷軸連接位置，但是最小疲勞壽命數值為91410 次應力循環，計算得出疲勞壽命數值為4.87 年，相較于改進之前，疲勞壽命數值提高了40%，可見改進效果極為明顯。將改進回轉油缸結構進行加工制造之后應用于某企業服役掘進機中試運行，結果表明，回轉油缸工作穩定可靠，能滿足掘進機回轉功能的要求。

5 結論

回轉油缸作為掘進機關鍵組成結構部件之一，其工作的可靠性直接關系著掘進機可否正常工作。針對某煤炭企業掘進機回轉油缸銷軸連接位置出現斷裂的問題，開展了斷裂問題分析與改進工作，結果表明，回轉油缸銷軸連接位置疲勞壽命較低是其出現斷裂問題的主要原因。采用將回轉油缸銷軸連接位置材料由原來的40Cr 換成35CrMo 的方法完成了改進，仿真結果顯示，回轉油缸銷軸連接位置的疲勞壽命提高了40%，改進效果明顯。實際應用結果顯示，回轉油缸工作穩定可靠，取得了很好的改進設計效果。