煤礦懸臂式掘進機關鍵結構的力學特性研究

于建華

摘要：為解決煤礦懸臂式掘進機在開采過程中的受力穩定性問題，以EBZ160型煤礦懸臂式掘進機為研究對象，采用數值模擬的手段建立三維分析模型，分別研究懸臂式掘進機關鍵結構的靜力學和動力學特性。研究結果表明：工況A和工況C的懸臂式掘進機關鍵結構最大應力表現為大致相同的變化規律，工況B的懸臂式掘進機關鍵結構最大應力略有不同；在非冗余驅動下，添加驅動力的左回轉液壓缸和左升降液壓缸呈現隨動狀態，存在2個周期性穩定波動狀態；在冗余驅動下，左回轉液壓缸驅動力和右升降液壓缸驅動力均呈現隨動狀態，左回轉液壓缸驅動力曲線與右升降液壓缸驅動力曲線相互間呈現鏡像關系。

關鍵詞：煤礦設備；懸臂式掘進機；關鍵結構；力學特性；仿真分析

0? ?引言

煤炭能源在我國的經濟發展中占據著十分很重要的作用，與核能、石油、太陽能、天然氣等各種能源形式相比，煤炭能源在我國具有自然稟賦豐富、開采成本低廉、供應可靠等諸多優點[1]。近年來，在綠色礦山和智慧礦山的理念的指導下，煤礦綜采工作面的自動化、機械化和智能化，逐漸成為目前礦山掘進技術革新的主要方向。確保礦山巷道掘進設備的力學穩定性以對地層環境良好的適應性，是煤炭開采安全、可靠、高效、穩定生產的可靠保障[2]。

懸臂式掘進機屬于部分斷面掘進機，其具有設備投資少、機身穩定性好、機動靈活、破巖能力強、可快速施工和適應惡劣工作環境等優點，是煤炭巷道綜掘施工的主要設備之一。研究其關鍵結構的靜力學特性和動力學特性，是保證掘進機受力穩定，應對復雜惡劣煤炭地層環境對截割頭隨機波動沖擊的有效途徑。

本文以EBZ160型煤礦懸臂式掘進機為研究對象，采用數值模擬的手段建立三維分析模型，分別研究懸臂式掘進機關鍵結構的靜力學和動力學特性。相關研究成果可為煤礦懸臂式掘進機的研發提供參考，也可促進煤炭開采的機械化發展。

1? ?煤礦懸臂式掘進機結構與參數

煤礦懸臂式掘進機是一個復雜的液壓系統、電氣系統和機械系統集成，具有結構復雜、零部件眾多等特點。EBZ160型煤礦懸臂式掘進機關鍵結構分解如圖1所示。EBZ160型煤礦懸臂式掘進機關鍵結構組裝如圖2所示。EBZ160型煤礦懸臂式掘進機關鍵部件包括截割頭1、截割臂2、回轉臺10、升降液壓缸12、回轉液壓缸11、回轉支撐13和本體架14。

1.1? ?截割頭與截割臂

截割頭的主要作用是對煤層的削切、破落和破碎。截割臂是支撐截割頭的主要構件，并在截割電機的驅動下實現截割主軸和截割頭的旋轉和扭矩，其制造材料為ZG270-500，密度為7830kg/m3，質量為877kg，彈性模量為2.11×105MPa，泊松比為0.311，屈服強度為248MPa。

1.2? ?回轉臺

回轉臺是推拉液壓缸式，它將截割部不與本體架進行連接，并用于實現截割部的左右回轉。其制造材料為35CrMo，密度為7870kg/m3，質量為7144kg，彈性模量為2.13×105MPa，泊松比為0.286，屈服強度為835MPa。

1.3? ?升降液壓缸

升降液壓缸是截割部上下擺動的動力來源，可用于實現截割部的升降，最大行程可達到600mm。其制造材料為45CrMo，密度為7890kg/m3，質量為260kg，彈性模量為2.09×105MPa，泊松比為0.269，屈服強度為355MPa。

1.4? ?回轉液壓缸

回轉液壓缸是截割部左右擺動的動力來源，左右行程最大可以達到650mm。其制造材料為45CrMo，密度為7890kg/m3，質量為260kg，彈性模量為2.09×105MPa，泊松比為0.269，屈服強度為355MPa。

1.5? ?回轉支撐

回轉支撐是用于將連接回轉臺和本體架的中間構件，可以確保回轉臺與本體架的相對位移。其制造材料為42CrMo，密度為7850kg/m3，質量為455kg，彈性模量為2.12×105MPa，泊松比為0.280，屈服強度為930MPa[3]。

1.6? ?本體架

本體架的制造材料為Q235-A，密度為7860kg/m3，質量為4857kg，彈性模量為2.12×105MPa，泊松比為0.288，屈服強度為235MPa[4]。

2? ?關鍵結構靜力學特性仿真

2.1? ?模型建立與網絡劃分

為了研究煤礦懸臂式掘進關鍵結構在工作狀態下的受力特征，基于有限元分析軟件ANSYS的Workbench模塊，建立懸臂式掘進關鍵結構的三維模型（見圖2）。

計算時，各個構件的網格劃分采用軟件內嵌的網格類型進行劃分，零件間的接觸采用Hertz接觸理論，按軟件內部設定柔性-柔性接觸計算方式，模擬回轉臺銷軸的接觸，按最小勢能原理約束整體的接觸邊界。

2.2? ?驅動液壓缸的荷載生成與分析

基于概率性的蒙特卡洛法對驅動液壓缸的荷載進行生成，以模擬煤礦懸臂式掘進機的自適應工作狀態。隨機生成的過程如下：首先確定載荷數據的分布規律，提取分布參數，隨后輸入需要模擬的數據個數n，產生n個符合相應分布的隨機數[7]。

為真實反映截割頭、回轉液壓缸、升降液壓缸的實際載荷，按照截割頭的極限行程進行驅動液壓缸荷載生成。極限行程的大小表示截割頭從左極限位置擺動到右極限位置，相應地截割臂也會跟著截割頭的擺動產生伸長和縮短，其水平角從-28°切換到+28°。

表1和圖3為基于蒙特卡洛法隨機生成的驅動液壓缸荷載。從圖3中可以看出，左回轉液壓缸的拉動荷載和推動荷載的變化范圍從6.1～22.40MPa不等。左回轉液壓缸的拉動荷載最大值出現在50s，拉動荷載為19.94MPa。左回轉液壓缸推動荷載的最大值出現在20s，推動荷載為22.40MPa。而升降液壓缸推動荷載的變化范圍從6.25～12.75MPa，最大值出現在5s。

2.3? ?不同工況關鍵結構最大應力分析

煤礦懸臂式掘進機在工作時，其截割頭在截割電機的驅動下呈現旋轉、擺動的運動軌跡，截割頭、左右回轉液壓缸、升降液壓缸產生負荷，在截割頭運動到不同位置時，各個關鍵結構構件的最不利工況有所不同。

鑒于此，在數值模擬計算時，需考慮煤礦懸臂式掘進機工作的3種最不利工況。工況A：左右回轉液壓缸行程一致，截割臂保持水平。工況B：截割頭擺動到最下位置，左回轉液壓缸行程達到極限值（655mm），而截割臂的仰角為-26°（負值表示向下）。工況C：截割頭擺動到最上位置，左回轉液壓缸的形成為零，右回轉液壓缸的行程達到極限值655mm，截割臂的仰角為+44°（正值表示向上）。

表2和圖4為3種不同工況條件下，懸臂式掘進機關鍵結構的最大應力仿真計算結果。從圖4中可以看出，工況A和工況C條件下，懸臂式掘進機關鍵結構最大應力表現為大致相同的變化規律，工況B的懸臂式掘進機關鍵結構最大應力略有不同。

在工況A和工況C條件下，回轉臺銷軸的最大應力出現在1#銷軸，分別為159.19MPa、191.73MPa，其余銷軸的最大應力大致相同。左右回轉液壓缸和升降液壓缸的最大應力大致相同，工況A左、右回轉液壓缸和升降液壓缸的最大應力變化范圍為112.23～128.37MPa，工況C左、右回轉液壓缸和升降液壓缸的最大應力變化范圍為137.04～145.27 MPa。

在工況B條件下，回轉臺銷軸的最大應力極值出現在2#銷軸、5#銷軸、7#銷軸，分別為138.71MPa、142.17MPa、134.35MPa，其余銷軸的最大應力大致相同，左回轉、右回轉液壓缸和升降液壓缸的最大應力依次增大。回轉臺的最大應力按工況A、工況B和工況C的順序依次增大。

3? ?關鍵結構動力學特性仿真

3.1? ?分析流程

懸臂式掘進機關鍵結構的動力學特性仿真分析流程如下：先確定模型自由度和主動件，選取廣義坐標，分析確定廣義運動速度；隨后求解各個構件的動能、勢能、驅動力、速度、加速度等動力學參數；最后根據虛功原理確定廣義力，將其代入拉格朗日方程，得到關鍵結構運動微分方程[8]。

3.2? ?回轉液壓缸和升降液壓缸驅動力分析

數值計算采用有限元分析軟件ANSYS的Mechanial Dynamics模塊，計算設定為2種動力學工況，分別是非冗余驅動和冗余驅動。表3為非冗余與冗余驅動條件下，回轉液壓缸和升降液壓缸的驅動力仿真計算結果。

非冗余驅動條件下，回轉液壓缸和升降液壓缸驅動力變化如圖5所示。

從圖5中可以看出，在非冗余驅動下，添加驅動力的左回轉液壓缸和左升降液壓缸呈現隨動狀態，在400s內呈現規律性的波動。

左回轉液壓缸和左升降液壓缸驅動力有2個周期性的穩定波動狀態，其驅動力波動范圍分為別為225～556kN、-600～215kN。左升降液壓缸動力也有2個穩定的波動狀態，但其波動范圍進一步縮小，驅動力波動范圍分為別為450～556kN、-200～0kN。未添加驅動力的隨動液壓缸（右回轉、右升降液壓缸）驅動力均為零。

冗余驅動條件下，回轉液壓缸和升降液壓缸驅動力如圖6所示。

從圖6中可以看出，在冗余驅動下，左回轉液壓缸驅動力和右升降液壓缸驅動力均呈現隨動狀態，在400s內呈現規律性的波動，且左回轉液壓缸驅動力曲線與右升降液壓缸驅動力曲線相互間呈現鏡像關系。

4? ?結束語

本文以EBZ160型煤礦懸臂式掘進機為研究對象，采用數值模擬的手段建立三維分析模型，研究3種最不利工況下懸臂式掘進機關鍵結構的靜力學特性，分析非冗余驅動和冗余驅動下懸臂式掘進機關鍵結構的動力學特性，得到以下結論：

工況A和工況C的懸臂式掘進機關鍵結構最大應力表現為大致相同的變化規律，工況B的懸臂式掘進機關鍵結構最大應力略有不同。在工況A和工況C條件下，回轉臺銷軸的最大應力出現在1#銷軸。在工況B條件下，回轉臺銷軸的最大應力極值出現在2#銷軸、5#銷軸、7#銷軸。回轉臺的最大應力按工可A、工況B和工況C的順序依次增大。

在非冗余驅動下，添加驅動力的左回轉液壓缸和左升降液壓缸呈現隨動狀態，在400s內呈現規律性的波動，回轉液壓缸驅動力有2個周期性的穩定波動狀態。在冗余驅動下，左回轉液壓缸驅動力和右升降液壓缸驅動力均呈現隨動狀態，在400s內呈現規律性的波動，且左回轉液壓缸驅動力曲線與右升降液壓缸驅動力曲線相互間呈現鏡像關系。

參考文獻

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