李 領(lǐng)

（汾西礦業(yè)集團(tuán)中興煤業(yè)公司，山西呂梁 030500）

0 引言

一直以來，煤炭都是我國(guó)能源的重要構(gòu)成部分，雖然我國(guó)當(dāng)前正在倡導(dǎo)多元化的能源結(jié)構(gòu)體系，但是煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)體系中的主導(dǎo)地位仍未改變［1］。在采煤過程中如何確保效率和安全是煤炭行業(yè)一直追求的目標(biāo)，如何采取行之有效的措施在確保安全的前提下進(jìn)一步提升采煤效率是采煤領(lǐng)域亟需解決的問題［2］。行走機(jī)構(gòu)導(dǎo)向滑靴是采煤機(jī)的重要構(gòu)成部分，然而，在實(shí)際工作過程中，導(dǎo)向滑靴經(jīng)常出現(xiàn)失效而導(dǎo)致整個(gè)采煤機(jī)停機(jī)檢修的問題，嚴(yán)重影響采煤機(jī)的工作效率［3］。主要原因是導(dǎo)向滑靴受力較復(fù)雜，過大的受力必然會(huì)降低其使用壽命。因此，有必要針對(duì)導(dǎo)向滑靴的受力情況進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改善受力情況，提升使用壽命。

1 采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴失效分析

導(dǎo)向滑靴失效是造成采煤機(jī)故障停機(jī)的重要因素之一。一旦導(dǎo)向滑靴出現(xiàn)失效問題，就必須讓整個(gè)采煤機(jī)停止工作進(jìn)行維修，一般情況下更換導(dǎo)向滑靴需要花費(fèi)6～7 h時(shí)間，嚴(yán)重影響采煤機(jī)的工作效率［4］。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，如果采煤機(jī)進(jìn)行俯斜開采，由于受力情況比較特殊，非常容易導(dǎo)致導(dǎo)向滑靴出現(xiàn)失效問題。

在針對(duì)采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，都默認(rèn)刮板輸送機(jī)底板在垂直方向和水平方向的彎曲角度控制在±3°和±1°范圍內(nèi)［5］。然而在實(shí)際工作中，受惡劣環(huán)境影響，采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械零部件會(huì)加劇磨損，導(dǎo)致上述的垂直方向和水平方向彎曲角度變大，從而超過規(guī)定范圍值。在這樣的工況條件下，如果繼續(xù)讓采煤機(jī)工作，為了保證采煤過程的正常進(jìn)行，導(dǎo)向滑靴必然會(huì)承受很大的力，而加劇導(dǎo)向滑靴的磨損，當(dāng)導(dǎo)向滑靴承受的力達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致其失效，引發(fā)故障停機(jī)?？梢?，導(dǎo)向滑靴失效是導(dǎo)致采煤機(jī)故障停機(jī)的重要原因，嚴(yán)重威脅著采煤機(jī)的工作效率［6］。

2 采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴模型的建立

本文利用Creo三維造型軟件建立采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的三維模型，利用ANSYS非線性有限元軟件來建立采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的數(shù)值模擬仿真模型。ANSYS軟件功能非常強(qiáng)大，能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、流體分析、磁場(chǎng)分析等。利用該軟件開展數(shù)值模擬分析時(shí)的步驟主要分為3個(gè)階段，分別為前處理階段、分析計(jì)算階段和后處理階段。在前處理階段主要進(jìn)行模型的建立、網(wǎng)格的劃分、工藝條件的設(shè)置等；分析計(jì)算階段就是針對(duì)建立的模型進(jìn)行計(jì)算；后處理階段就是針對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取與分析，得到想要的結(jié)果。因此，借用ANSYS軟件來分析采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的受力情況效果較好。

2.1 三維模型的建立

采煤機(jī)中的導(dǎo)向滑靴結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，導(dǎo)致該機(jī)構(gòu)在工作時(shí)的受力情況也較為復(fù)雜?；诖?，有必要針對(duì)采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的真實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并分析其工作時(shí)的受力情況。圖1所示為根據(jù)真實(shí)的結(jié)構(gòu)尺寸建立的某型號(hào)采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴三維結(jié)構(gòu)圖，本文所述模型利用Creo三維造型軟件建立。

圖1 采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴三維結(jié)構(gòu)圖

2.2 材料選擇以及網(wǎng)格劃分

通過Creo三維造型軟件建立好導(dǎo)向滑靴的三維模型后，需要將其格式導(dǎo)出ANSYS可以識(shí)別的x－t格式，并將三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中設(shè)置材料，并劃分網(wǎng)格。在模型中將導(dǎo)向滑靴的材料設(shè)置為ZG35CrMnSi，實(shí)際中多使用該材料來生產(chǎn)制造導(dǎo)向滑靴，因此可以滿足實(shí)際情況。該材料為合金鑄件，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為835 MPa和980 MPa，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率分別為14%和30%，彈性模量和泊松比分別為2×1011Pa和0.3。

設(shè)置好材料屬性后，需要針對(duì)導(dǎo)入的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分對(duì)于有限元分析而言非常重要，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接決定了計(jì)算結(jié)果精度，網(wǎng)格劃分不好可能導(dǎo)致分析無法持續(xù)下去。ANSYS軟件中具有多種網(wǎng)格類型，為了保證計(jì)算過程的順利進(jìn)行并確保計(jì)算結(jié)果的精度，本文用四面體單元類型來劃分網(wǎng)格。最后，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)導(dǎo)向滑靴進(jìn)行約束，其中受到的約束主要包括側(cè)向力、支反力，且銷孔為完全約束。

3 采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴受力仿真分析

為了確保導(dǎo)向滑靴的絕對(duì)安全，本文在設(shè)置受力條件時(shí)按照危險(xiǎn)條件進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)于前導(dǎo)向滑靴，分別將側(cè)向力和支反力最大值設(shè)置為245 kN和186 kN，它們的方向分別指向采空側(cè)和垂直向上［7］。對(duì)后導(dǎo)向滑靴，分別將側(cè)向力和支反力最大值設(shè)置為371 kN和767 kN，它們的方向分別指向采空側(cè)和垂直向上。設(shè)置好相關(guān)的工藝條件參數(shù)后即可開始分析計(jì)算，如圖2和圖3所示分別為采煤機(jī)前導(dǎo)向滑靴和后導(dǎo)向滑靴的應(yīng)力云圖。

圖2 采煤機(jī)前導(dǎo)向滑靴應(yīng)力云圖

圖3 采煤機(jī)后導(dǎo)向滑靴應(yīng)力云圖

當(dāng)按照危險(xiǎn)情況來設(shè)置工藝條件時(shí)，從圖中可以看出前導(dǎo)向滑靴和后導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力值分別為245.9 MPa和527.8 MPa。其中前導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力值位置為銷軸孔下半圓且偏向采空側(cè)區(qū)域，具體位置為銷軸孔內(nèi)側(cè)。后導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力位置為銷軸孔下半圓區(qū)域，具體位置為煤壁側(cè)。而生產(chǎn)制造采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的材料ZG35CrMnSi，其最大的許用應(yīng)力為490 MPa?？梢?，前導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力值在最大許用范圍內(nèi)，而后導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力值超過了該材料的最大許用應(yīng)力值。另外，前導(dǎo)向滑靴和后導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)變值分別為0.435 mm和0.808 mm，位置分別在采空側(cè)導(dǎo)鉤處和煤壁側(cè)導(dǎo)鉤處，前后導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)變值都相對(duì)較小，基本能夠滿足實(shí)際使用要求。

基于上述分析可以知道，當(dāng)采用危險(xiǎn)工況參數(shù)進(jìn)行前后導(dǎo)向滑靴受力分析時(shí)，對(duì)于前導(dǎo)向滑靴而言，不管是最大應(yīng)力值還是最大應(yīng)變值都在允許的范圍內(nèi)，無需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。而對(duì)于后導(dǎo)向滑靴而言，雖然其最大應(yīng)變值在允許的范圍內(nèi)，但最大應(yīng)力值527.8 MPa已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了允許的最大應(yīng)力值490 MPa，不能滿足實(shí)際使用要求。因此有必要針對(duì)后導(dǎo)向滑靴進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

4 采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴優(yōu)化改進(jìn)措施

上文針對(duì)采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的受力情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)后導(dǎo)向滑靴存在應(yīng)急集中問題，導(dǎo)致煤壁側(cè)銷軸孔位置的最大應(yīng)力值超過了材料的許用最大應(yīng)力值，這必然會(huì)加速導(dǎo)向滑靴的磨損，影響導(dǎo)向滑靴的使用壽命。因此，必須對(duì)后導(dǎo)向滑靴進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以降低其在使用過程中的最大應(yīng)力值。改進(jìn)的目標(biāo)為耳板強(qiáng)度，即需要采取行之有效的措施來提升耳板的強(qiáng)度?？梢蕴嵘龑?dǎo)向滑靴強(qiáng)度的措施有很多種，比如增加耳板厚度以提升強(qiáng)度、加大銷軸孔倒角半徑以降低應(yīng)力集中現(xiàn)象、更換生產(chǎn)制造材料以提升材料的最大使用應(yīng)力值［8］。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并參考大量文獻(xiàn)資料，本文綜合利用前兩種方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，分別把銷軸孔倒角半徑和耳板厚度增加2 mm和10 mm。將改進(jìn)后的后導(dǎo)向滑靴根據(jù)上述的步驟重新建模，在相同的工況參數(shù)條件再次利用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行受力分析，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化改進(jìn)后的采煤機(jī)后導(dǎo)向滑靴應(yīng)力云圖

由圖可知，通過增加銷軸孔倒角半徑和耳板厚度，后導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力值出現(xiàn)了顯著降低，其最大應(yīng)力值由優(yōu)化改進(jìn)前的527.8 MPa降低到了442.6 MPa。優(yōu)化改進(jìn)后的后導(dǎo)向滑靴最大應(yīng)力值低于材料的許用最大應(yīng)力值，完全能夠滿足使用要求。另外，改進(jìn)后的后導(dǎo)向滑靴其最大應(yīng)變量同樣出現(xiàn)了一定程度的降低，從0.808 mm降低至0.654 mm。

綜上，針對(duì)導(dǎo)向滑靴進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，即便是在最危險(xiǎn)的工況條件下，在理論層面其最大應(yīng)力值也在材料的許用應(yīng)力值范圍內(nèi)，完全能夠滿足使用要求。通過結(jié)構(gòu)尺寸上的改進(jìn)，優(yōu)化了采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的整體受力情況，能夠顯著降低導(dǎo)向滑靴的磨損問題，進(jìn)而延長(zhǎng)導(dǎo)向滑靴的使用壽命。實(shí)踐證明，優(yōu)化改進(jìn)后的導(dǎo)向滑靴使用壽命是優(yōu)化之前的2倍以上。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)某傳統(tǒng)型號(hào)采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴進(jìn)行了受力分析，發(fā)現(xiàn)在極端受力情況下，后導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力值超過了材料允許的最大值。通過增加銷軸孔倒角半徑和耳板厚度，使得后導(dǎo)向滑靴的整體受力情況得到改善，最大應(yīng)力值得到顯著降低，且低于材料最大使用值，完全能夠滿足實(shí)際需要。通過對(duì)導(dǎo)向滑靴的優(yōu)化改進(jìn)，能夠顯著降低導(dǎo)向滑靴的磨損問題，進(jìn)而延長(zhǎng)導(dǎo)向滑靴的使用壽命。