齊 英

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000）

引言

采煤機(jī)作為煤炭采掘工作的關(guān)鍵設(shè)備，其服役環(huán)境惡劣，工作條件復(fù)雜，不僅直接與煤層接觸承受較大的沖擊反力，還要承受煤層冒頂、片幫帶來的附加載荷，因此，必須引起高度重視[1-3]。支撐滑靴是采煤機(jī)工作過程中的關(guān)鍵部件，一旦出現(xiàn)故障導(dǎo)致整個綜采工作面的停工停產(chǎn)，影響采煤機(jī)的工作效率和煤炭產(chǎn)量，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4-6]。因此，針對某煤炭企業(yè)服役采煤機(jī)支撐滑靴耳板斷裂問題，借助ANSYS workbench有限元仿真分析軟件，分析支撐滑靴耳板斷裂問題產(chǎn)生原因，完成優(yōu)化改進(jìn)工作具有重要意義。

1 支撐滑靴斷裂問題

采煤機(jī)工作過程中出現(xiàn)失效問題較多的部件為截割部分和行走機(jī)構(gòu)，其中行走機(jī)構(gòu)中出現(xiàn)失效概率較高的為支撐滑靴，主要失效形式為磨損和耳板斷裂。當(dāng)采煤機(jī)支撐滑靴出現(xiàn)失效時，引起處于采煤機(jī)的機(jī)身底部，更換工作極為困難，統(tǒng)計表明，更換一組采煤機(jī)支撐滑靴需要6~7 h，勞動強(qiáng)度大，并且需要停止整個綜采工作面的生產(chǎn)作業(yè)，影響工作面設(shè)備的利用率和煤炭企業(yè)的產(chǎn)量。采煤機(jī)支撐滑靴工作時受力狀態(tài)較為復(fù)雜，傾斜狀態(tài)下工作支撐滑靴內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致耳板根部斷裂問題。某煤炭企業(yè)服役采煤機(jī)支撐滑靴出現(xiàn)了耳板斷裂故障，如圖1所示，更換支撐滑靴的過程導(dǎo)致綜采工作面停工停產(chǎn)約8.5 h，給煤炭企業(yè)產(chǎn)生了大量資源浪費和經(jīng)濟(jì)損失，因此需要研究支撐滑靴斷裂的原因，避免斷裂故障的再次發(fā)生。

圖1 支撐滑靴耳板斷裂實物圖

2 支撐滑靴斷裂原因分析

支撐滑靴出現(xiàn)斷裂故障的原因可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷或者承受力較大的沖擊載荷，確定具體斷裂原因的常規(guī)方法是分析斷口形貌、觀察金相組織、檢測化學(xué)成分等，工作量大、分析過程耗時長、分析結(jié)果過分依賴于分析人員的經(jīng)驗等。為了提高支撐滑靴斷裂問題原因分析的效率和準(zhǔn)確性，此處采用ANSYS workbench有限元仿真分析軟件開展工作，以便更快更好地確定采煤機(jī)支撐滑靴耳板斷裂的原因。研究表明，采煤機(jī)前、后支撐滑靴在傾角α=7°、仰角β=-10°時承受的工作載荷最大，基于此，開展支撐滑靴耳板斷裂問題分析。

2.1 支撐滑靴三維模型的建立

查閱采煤機(jī)隨機(jī)材料，配合現(xiàn)場實際測繪結(jié)果，獲取支撐滑靴結(jié)構(gòu)尺寸。運用SolidWorks軟件完成支撐滑靴三維模型的建立，因支撐滑靴結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，模型導(dǎo)入極易出現(xiàn)問題，對其進(jìn)行了必要的簡化，省略了支撐滑靴中的倒角、圓角等對分析結(jié)果影響不大的因素，以便提高仿真計算效率。

2.2 材料屬性設(shè)置與網(wǎng)格劃分

將支撐滑靴三維模型另存為.IGS格式文件，導(dǎo)入ANSYS workbench有限元仿真計算軟件進(jìn)行材料屬性設(shè)置，支撐滑靴材料牌號為35CrMo，其材料屬性參數(shù)如下：彈性模量為200 GPa，抗拉強(qiáng)度為970~990 MPa，屈服強(qiáng)度為840 MPa，泊松比為0.3。之后進(jìn)行支撐滑靴的網(wǎng)格劃分，選擇四面體單元類型，運用自由劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。

圖2 支撐滑靴網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 載荷和約束施加

采煤機(jī)傾斜工作狀態(tài)時支撐滑靴受力狀態(tài)較為復(fù)雜，是其出現(xiàn)斷裂故障狀態(tài)的關(guān)注焦點，因此按照采煤機(jī)前、后支撐滑靴在α=7°、β=-10°時計算其受力情況，確定仿真計算載荷。計算得出前支撐滑靴垂直方向上承受的最大支反力為435 kN，后支撐滑靴垂直方向上的最大支反力為1 023 kN，將其施加于前、后支撐滑靴對其進(jìn)行強(qiáng)度分析。對支撐滑靴銷軸連接孔施加完全約束，模擬其實際工作狀態(tài)。

2.4 仿真結(jié)果分析

完成支撐滑靴有限元分析前處理工作之后即可啟動ANSYS workbench軟件自帶求解器進(jìn)行仿真計算，計算得出采煤機(jī)前、后支撐滑靴的應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

圖3 前支撐滑靴應(yīng)力（Pa）分布云圖

圖4 前支撐滑靴變形（mm）分布云圖

圖5 后支撐滑靴應(yīng)力（Pa）分布云圖

圖6 后支撐滑靴變形（mm）分布云圖

由圖3、圖4采煤機(jī)前支撐滑靴的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖可以看出，前支撐滑靴危險工況下工作時的最大應(yīng)力值為108.7 MPa，出現(xiàn)在前支撐滑靴的煤壁側(cè)，處于銷軸孔的中部位置，相較于支撐滑靴材料的許用應(yīng)力490 MPa較小，具有足夠的安全使用系數(shù)；前支撐滑靴危險工況工作時的變形最大值僅為4.485 mm，處于前支撐滑靴導(dǎo)向溝槽的兩端位置，最大應(yīng)變較小，滿足采煤機(jī)支撐滑靴的實際工作要求。由圖5、圖6采煤機(jī)后支撐滑靴應(yīng)力應(yīng)變分布云圖可以看出，后支撐滑靴危險工況下工作時的最大應(yīng)力值為527.8 MPa，與前支撐滑靴一樣，出現(xiàn)在后支撐滑靴的煤壁側(cè)，處于銷軸孔的中部位置，相較于后支撐滑靴材料的許用應(yīng)力490 MPa，超出了37.8 MPa，使用過程中存在超載斷裂的可能，不滿足采煤機(jī)支撐滑靴安全可靠工作的要求，有待于進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；后支撐滑靴危險工況下工作的變形最大值為8.971 mm，同樣出現(xiàn)在后導(dǎo)向滑靴煤壁側(cè)的導(dǎo)溝位置，應(yīng)變值較小，滿足支撐滑靴的現(xiàn)場工作要求。

3 支撐滑靴原因分析與優(yōu)化

采煤機(jī)前、后支撐滑靴危險工作狀況下的強(qiáng)度分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，支撐滑靴出現(xiàn)斷裂問題的主要原因是銷軸孔中部位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值超出了耳板材料的許用應(yīng)力，同時支撐滑靴耳板根部與基體連接位置倒角較小，是支撐滑靴結(jié)構(gòu)中極易出現(xiàn)破壞的位置。上述兩種因素使得支撐滑靴耳板使用過程中出現(xiàn)了斷裂，因此，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 優(yōu)化方案

結(jié)構(gòu)件存在應(yīng)力集中情況的優(yōu)化方法如下：更換力學(xué)性能更好的加工材料；優(yōu)化結(jié)構(gòu)件原有加工材料的熱處理工藝方法；改進(jìn)結(jié)構(gòu)件的加工制造工藝；增加結(jié)構(gòu)件應(yīng)力集中位置的尺寸等。結(jié)構(gòu)采煤機(jī)支撐滑靴材料、熱處理工藝、制造工藝等較為成熟，尺寸選擇增加結(jié)構(gòu)尺寸的方法進(jìn)行支撐滑靴的優(yōu)化設(shè)計工作。在確保支撐滑靴可以安裝使用的前提下，將支撐滑靴耳板的厚度方向各增大6 mm，同時將耳板與基體連接位置的圓角半徑尺寸增大2 mm，完成支撐滑靴結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化之后進(jìn)行仿真分析。

3.2 仿真結(jié)果

對改進(jìn)之后的后支撐滑靴結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模型的修改，另存為.igs文件之后再次導(dǎo)入ANSYSWorkbench仿真計算軟件進(jìn)行前處理工作，前處理過程中的計算參數(shù)值與改進(jìn)之前相同，結(jié)果如圖7、圖8所示。由圖7、圖8仿真計算結(jié)果可以看出，改進(jìn)的后支撐滑靴的最大應(yīng)力值為245.94 MPa，相較于改進(jìn)之前降低了53.4%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于支撐滑靴材料的許用應(yīng)力值，滿足支撐滑靴的強(qiáng)度要求；與此同時，改進(jìn)后支撐滑靴的變形最大值為8.075 mm，相較于改進(jìn)之前降低了10%，應(yīng)變數(shù)值較小，滿足支撐滑靴工作過程中的剛度要求。

圖7 后支撐滑靴應(yīng)力（Pa）分布云圖

圖8 后支撐滑靴變形（mm）分布云圖

由此可見，增加支撐滑靴耳板厚度和與基體連接位置圓角尺寸能夠有效改進(jìn)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，具有很好的改進(jìn)效果。按照支撐滑靴優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行生產(chǎn)制造，應(yīng)用過程中工作穩(wěn)定可靠，1年時間內(nèi)未出現(xiàn)斷裂問題，取得了很好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

1）耳板斷裂的主要原因是后支撐滑靴耳板銷軸孔位置存在應(yīng)力集中問題，最大應(yīng)力為527.8 MPa，超出了材料的許用應(yīng)力，使用過程中存在安全隱患。

2）通過增加后支撐滑靴耳板厚度和耳板基體連接位置的圓角尺寸的方法完成了后支撐滑靴的改進(jìn)優(yōu)化。分析結(jié)果表明，相較于改進(jìn)之前的后支撐滑靴，改進(jìn)之后的最大應(yīng)力降低了53.4%，最大應(yīng)變降低了10%，改善了后支撐滑靴的應(yīng)力集中情況，提高了后支撐滑靴的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。