裴 翔

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

掘進機是煤礦開采的重要設備，保障掘進機的使用可靠性一直以來都是一個重要的研究課題。以EBZ260H為研究對象，通過Creo建立起該型掘進機三維模型，再由ANSYS模擬計算分析其結構強度。

機械結構常在遠小于其材料屈服強度的應力下發(fā)生失效破壞，簡稱為疲勞載荷。在疲勞載荷的作業(yè)下，其內(nèi)應力比較集中的區(qū)域或者是薄弱環(huán)節(jié)，容易萌生疲勞裂紋，裂紋不斷擴展，從而危及整機結構安全。分析掘進機整機結構強度，有助于了解其結構中存在的應力集中區(qū)域和薄弱環(huán)節(jié)，對掘進機結構的改進具有重要意義。

1 掘進機結構組成分析

掘進機被廣泛應用于煤礦巷道施工中。EBZ260H型掘進機最大掘進高度5.2 m，最大掘進寬度為5.0 m，其爬坡能力±18°,生產(chǎn)能力可達60 m3/min、具有較好的通過性、最小離地間隙為210 mm，設備總裝機功率為110 kW，設備總外形尺寸（長×寬×高）為8 100 mm×1 850 mm×1 700 mm，其結構主要由工作機構、裝運機構、液壓系統(tǒng)、行走機構、電氣系統(tǒng)等部件組成。下面對該型掘進機中主要部件功能以及使用方法做簡要說明：

（1）主機架

掘進機的主要組成部分，同時也是掘進機掘進過程中截割煤巖的執(zhí)行機構，該機為橫軸截割外伸縮式。主要由截割水冷電動機、工作機構框架、減速箱和左右截割頭等組成。

（2）回轉臺

回轉臺是機身與截割頭連接的重要部件，承受載荷復雜，在實際使用中常出現(xiàn)故障，因為該結構是連接機身與截割部的重要部件?；剞D臺所承受的載荷工況較為復雜，也是掘進機中易損壞部件。

（3）液壓系統(tǒng)

主要包括各型液壓油缸，主要負責掘進機關鍵部位的動作執(zhí)行，包括回轉機構的轉動、截割部的升降等。

2 分析模型建立

2.1 三維模型建立

基于EBZ260H掘進機的工程圖紙，創(chuàng)建其截割頭的三維模型，截割頭結構相對比較復雜，在建模過程中簡化孔、銷等細小特征。截割部部件主要包括截割刀頭、回轉臺、截割臂、支撐油缸等組成，根據(jù)各部件的材料屬性，對三維模型的參數(shù)進行設置。

Creo是CAD設計軟件，可建立三維模型。ANSYS是有限元分析軟件，具有較強的計算能力，功能強大。

表1為截割部各組成部件的材料屬性，在Creo中創(chuàng)建好了三維模型，同時設置好材料的屬性，以中間格式“stp”導入ANSYS，據(jù)此創(chuàng)建好截割部的有限元分析模型。

表1 各部件材料參數(shù)

2.2 仿真分析工況

懸臂式掘進機在施工作業(yè)時，一般沿著巷道不斷前進，同時截割頭刀具在電機的驅動之下，不斷旋轉。掘進機的受力情況通常與其姿態(tài)相關，在某些工位掘進機可能承受的破壞作用力更大，為了分析結構的強度選擇比較典型、惡劣的載荷工況來分析，有助于更加真切地了解到掘進機的結構特性。

選擇截割臂位于下極限位置和截割臂位于仰角最大位置為截割頭的分析工況，下面對上述兩種工況做簡要說明：

工況一：掘進機截割臂處于最低的極限位置，截割臂與平臺之間的夾角大致為0°，截割臂處于水平正中位置，此時左右兩側的液壓油缸的形成一致。

工況二：截割臂處于最高位置，截割臂的仰角在55°左右，同時截割頭處于最右側位置，即截割臂軸線與中間對稱面之間的夾角為30°。此時左右兩側液壓油缸的行程分別為0 mm與712 mm。

2.3 網(wǎng)格劃分

掘進機截割部各部件之間接觸約束較多，需要對其進行特殊的設置，以提高有限元分析計算的精度。在ANSYS Workbench中可設置摩擦接觸，在截割部的分析模型中設置油缸與回轉臺、油缸與懸臂之間的銷軸連接位置設置摩擦接觸。網(wǎng)格處理是創(chuàng)建有限元分析模型的重要一步，根據(jù)截割部的幾何特性，采用四面體網(wǎng)格進行劃分。設置單元大小為15 mm，根據(jù)軟件計算結果，對截割部網(wǎng)格劃分，共得到單元總數(shù)627 136個，共1 090 216個節(jié)點。

3 載荷與邊界

截割部部件實際受載情況十分復雜，在有限元分析計算中需要對部件所受載荷進行簡化處理。受力分析可以確定截割部的載荷情況，由于篇幅有限，不對載荷的計算做展開討論。已知，工況一狀態(tài)下，截割頭俯仰角為0°，水平角也為0°。此時，回轉油缸內(nèi)液壓油壓力為22 MPa，升降油缸的油壓為25 MPa，經(jīng)受力分析可以確定截割部所受的外部載荷，工況二計算同理，載荷見表2。

表2 各工況截割部載荷

4 截割部計算結果

4.1 截割部位移變化情況分析

工況一：圖1中ANSYS Workbench計算的截割部位移分布云圖，從圖中可知截割部的最大位移值為26.07 mm，最大變形位于截割頭最前端，說明懸臂的結構特點，懸臂的頂端所承受的載荷和形變情況更為復雜。

圖1 工況一下截割部位移變化

工況二：根據(jù)表2所列工況二的載荷情況，此時截割部的旋轉油缸和舉升液壓油缸的壓力值最大，對截割部有限元分析模型進行加載，分析得到截割部在第二種工況下的應力應變情況，見圖2。截割部的最大變形量為23.2 mm，最大位移值仍然出現(xiàn)在截割頭頂端，據(jù)圖可知，掘進機截割部在此工況下有明顯向下和向右的變形。

圖2 工況二下截割部位移變化

4.2 應力變化分析

圖3為截割部在工況一下等效應力分布情況，根據(jù)計算結果可知，在工況一狀態(tài)下，回轉臺與旋轉液壓油缸的應力明顯大于其他部件。計算得到截割部最大應力值為297.5 MPa，最大應力位于回轉臺與懸臂鉸接位置。

圖3 工況一下截割部應力變化

圖4為截割部在工況二作業(yè)下應力分布情況，根據(jù)計算結果截割部最大應力值為230.8 MPa，最大應力點位于舉升液壓油缸與截割臂連接銷軸孔位置，銷軸孔作為重要的載荷傳遞點，其結構的安全性對掘進機有重要影響。

圖4 工況二下截割部應力變化

對截割部在兩種極端工況下的強度分析，計算結果顯示所有部件的最大應力值均小于材料的屈服強度。因此，不會出現(xiàn)由于正常使用而發(fā)生結構性破壞，分析截割部最大應力為297.5 MPa，但由于掘進機在實際工作中所受的載荷為交變載荷，結果容易產(chǎn)生疲勞破壞，因此需要對結構的抗疲勞特性進行驗證。

5 截割部優(yōu)化改進意見

根據(jù)截割部兩種極端工況下應力、應變情況的分析結果，截割部上部分應力較小，但回轉平臺與液壓支撐油缸應力較大。回轉平臺為連接懸臂與機架的承力結構，當?shù)毒咴谧鳂I(yè)中，煤層對回轉平臺的作用力相當于加了一個力壁，從而產(chǎn)生放大效應，這也就導致了在回轉平臺位置產(chǎn)生了更大的應力。據(jù)此，提出關于截割部優(yōu)化改進意見：

（1）增強回轉平臺的結構強度，確保其能夠承受來之刀具的沖擊載荷，同時避免在關鍵位置使用焊接結構。

（2）加強液壓油缸與回轉平臺連接位置結構強度，防止結構在疲勞載荷的作用下產(chǎn)生破壞。

6 結語

掘進機是一種重要的煤礦掘進設備，對于提高施工效率具有很大的作用，但由于其工作環(huán)境惡劣，承受載荷復雜多變，常發(fā)生故障。由此，迫切需要提高掘進機結構的可靠性，以EBZ260H掘進機為研究對象，建立其有限元模型，分析了截割部在兩種極端工況下應力、應變情況。

分析結果顯示：掘進機結構滿足強度要求，不會發(fā)生因為結構性破壞。但由于截割臂承載大部分載荷直接傳遞給了回轉平臺與液壓油缸，因此應特別注意液壓油缸的回轉平臺的結構抗疲勞設計，因為在交變載荷作用下，承受載荷較大的回轉平臺和液壓油缸容易產(chǎn)生疲勞裂紋，從而導致結構的失效破壞。