于建華

摘要：為解決煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)在開采過(guò)程中的受力穩(wěn)定性問(wèn)題，以EBZ160型煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的手段建立三維分析模型，分別研究懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。研究結(jié)果表明：工況A和工況C的懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力表現(xiàn)為大致相同的變化規(guī)律，工況B的懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力略有不同；在非冗余驅(qū)動(dòng)下，添加驅(qū)動(dòng)力的左回轉(zhuǎn)液壓缸和左升降液壓缸呈現(xiàn)隨動(dòng)狀態(tài)，存在2個(gè)周期性穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)；在冗余驅(qū)動(dòng)下，左回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)力和右升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力均呈現(xiàn)隨動(dòng)狀態(tài)，左回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)力曲線與右升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力曲線相互間呈現(xiàn)鏡像關(guān)系。

關(guān)鍵詞：煤礦設(shè)備；懸臂式掘進(jìn)機(jī)；關(guān)鍵結(jié)構(gòu)；力學(xué)特性；仿真分析

0? ?引言

煤炭能源在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著十分很重要的作用，與核能、石油、太陽(yáng)能、天然氣等各種能源形式相比，煤炭能源在我國(guó)具有自然稟賦豐富、開采成本低廉、供應(yīng)可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。近年來(lái)，在綠色礦山和智慧礦山的理念的指導(dǎo)下，煤礦綜采工作面的自動(dòng)化、機(jī)械化和智能化，逐漸成為目前礦山掘進(jìn)技術(shù)革新的主要方向。確保礦山巷道掘進(jìn)設(shè)備的力學(xué)穩(wěn)定性以對(duì)地層環(huán)境良好的適應(yīng)性，是煤炭開采安全、可靠、高效、穩(wěn)定生產(chǎn)的可靠保障[2]。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)屬于部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，其具有設(shè)備投資少、機(jī)身穩(wěn)定性好、機(jī)動(dòng)靈活、破巖能力強(qiáng)、可快速施工和適應(yīng)惡劣工作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，是煤炭巷道綜掘施工的主要設(shè)備之一。研究其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性，是保證掘進(jìn)機(jī)受力穩(wěn)定，應(yīng)對(duì)復(fù)雜惡劣煤炭地層環(huán)境對(duì)截割頭隨機(jī)波動(dòng)沖擊的有效途徑。

本文以EBZ160型煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的手段建立三維分析模型，分別研究懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。相關(guān)研究成果可為煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研發(fā)提供參考，也可促進(jìn)煤炭開采的機(jī)械化發(fā)展。

1? ?煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)與參數(shù)

煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)集成，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件眾多等特點(diǎn)。EBZ160型煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分解如圖1所示。EBZ160型煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組裝如圖2所示。EBZ160型煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵部件包括截割頭1、截割臂2、回轉(zhuǎn)臺(tái)10、升降液壓缸12、回轉(zhuǎn)液壓缸11、回轉(zhuǎn)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(duì)煤層的削切、破落和破碎。截割臂是支撐截割頭的主要構(gòu)件，并在截割電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)截割主軸和截割頭的旋轉(zhuǎn)和扭矩，其制造材料為ZG270-500，密度為7830kg/m3，質(zhì)量為877kg，彈性模量為2.11×105MPa，泊松比為0.311，屈服強(qiáng)度為248MPa。

1.2? ?回轉(zhuǎn)臺(tái)

回轉(zhuǎn)臺(tái)是推拉液壓缸式，它將截割部不與本體架進(jìn)行連接，并用于實(shí)現(xiàn)截割部的左右回轉(zhuǎn)。其制造材料為35CrMo，密度為7870kg/m3，質(zhì)量為7144kg，彈性模量為2.13×105MPa，泊松比為0.286，屈服強(qiáng)度為835MPa。

1.3? ?升降液壓缸

升降液壓缸是截割部上下擺動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，可用于實(shí)現(xiàn)截割部的升降，最大行程可達(dá)到600mm。其制造材料為45CrMo，密度為7890kg/m3，質(zhì)量為260kg，彈性模量為2.09×105MPa，泊松比為0.269，屈服強(qiáng)度為355MPa。

1.4? ?回轉(zhuǎn)液壓缸

回轉(zhuǎn)液壓缸是截割部左右擺動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，左右行程最大可以達(dá)到650mm。其制造材料為45CrMo，密度為7890kg/m3，質(zhì)量為260kg，彈性模量為2.09×105MPa，泊松比為0.269，屈服強(qiáng)度為355MPa。

1.5? ?回轉(zhuǎn)支撐

回轉(zhuǎn)支撐是用于將連接回轉(zhuǎn)臺(tái)和本體架的中間構(gòu)件，可以確?；剞D(zhuǎn)臺(tái)與本體架的相對(duì)位移。其制造材料為42CrMo，密度為7850kg/m3，質(zhì)量為455kg，彈性模量為2.12×105MPa，泊松比為0.280，屈服強(qiáng)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(zhì)量為4857kg，彈性模量為2.12×105MPa，泊松比為0.288，屈服強(qiáng)度為235MPa[4]。

2? ?關(guān)鍵結(jié)構(gòu)靜力學(xué)特性仿真

2.1? ?模型建立與網(wǎng)絡(luò)劃分

為了研究煤礦懸臂式掘進(jìn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)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(jìn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的三維模型（見圖2）。

計(jì)算時(shí)，各個(gè)構(gòu)件的網(wǎng)格劃分采用軟件內(nèi)嵌的網(wǎng)格類型進(jìn)行劃分，零件間的接觸采用Hertz接觸理論，按軟件內(nèi)部設(shè)定柔性-柔性接觸計(jì)算方式，模擬回轉(zhuǎn)臺(tái)銷軸的接觸，按最小勢(shì)能原理約束整體的接觸邊界。

2.2? ?驅(qū)動(dòng)液壓缸的荷載生成與分析

基于概率性的蒙特卡洛法對(duì)驅(qū)動(dòng)液壓缸的荷載進(jìn)行生成，以模擬煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自適應(yīng)工作狀態(tài)。隨機(jī)生成的過(guò)程如下：首先確定載荷數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，提取分布參數(shù)，隨后輸入需要模擬的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)n，產(chǎn)生n個(gè)符合相應(yīng)分布的隨機(jī)數(shù)[7]。

為真實(shí)反映截割頭、回轉(zhuǎn)液壓缸、升降液壓缸的實(shí)際載荷，按照截割頭的極限行程進(jìn)行驅(qū)動(dòng)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(dòng)到右極限位置，相應(yīng)地截割臂也會(huì)跟著截割頭的擺動(dòng)產(chǎn)生伸長(zhǎng)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(jī)生成的驅(qū)動(dòng)液壓缸荷載。從圖3中可以看出，左回轉(zhuǎn)液壓缸的拉動(dòng)荷載和推動(dòng)荷載的變化范圍從6.1～22.40MPa不等。左回轉(zhuǎn)液壓缸的拉動(dòng)荷載最大值出現(xiàn)在50s，拉動(dòng)荷載為19.94MPa。左回轉(zhuǎn)液壓缸推動(dòng)荷載的最大值出現(xiàn)在20s，推動(dòng)荷載為22.40MPa。而升降液壓缸推動(dòng)荷載的變化范圍從6.25～12.75MPa，最大值出現(xiàn)在5s。

2.3? ?不同工況關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力分析

煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)，其截割頭在截割電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，截割頭、左右回轉(zhuǎn)液壓缸、升降液壓缸產(chǎn)生負(fù)荷，在截割頭運(yùn)動(dòng)到不同位置時(shí)，各個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最不利工況有所不同。

鑒于此，在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，需考慮煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作的3種最不利工況。工況A：左右回轉(zhuǎn)液壓缸行程一致，截割臂保持水平。工況B：截割頭擺動(dòng)到最下位置，左回轉(zhuǎn)液壓缸行程達(dá)到極限值（655mm），而截割臂的仰角為-26°（負(fù)值表示向下）。工況C：截割頭擺動(dòng)到最上位置，左回轉(zhuǎn)液壓缸的形成為零，右回轉(zhuǎn)液壓缸的行程達(dá)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(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果。從圖4中可以看出，工況A和工況C條件下，懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力表現(xiàn)為大致相同的變化規(guī)律，工況B的懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力略有不同。

在工況A和工況C條件下，回轉(zhuǎn)臺(tái)銷軸的最大應(yīng)力出現(xiàn)在1#銷軸，分別為159.19MPa、191.73MPa，其余銷軸的最大應(yīng)力大致相同。左右回轉(zhuǎn)液壓缸和升降液壓缸的最大應(yīng)力大致相同，工況A左、右回轉(zhuǎn)液壓缸和升降液壓缸的最大應(yīng)力變化范圍為112.23～128.37MPa，工況C左、右回轉(zhuǎn)液壓缸和升降液壓缸的最大應(yīng)力變化范圍為137.04～145.27 MPa。

在工況B條件下，回轉(zhuǎn)臺(tái)銷軸的最大應(yīng)力極值出現(xiàn)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(yīng)力大致相同，左回轉(zhuǎn)、右回轉(zhuǎn)液壓缸和升降液壓缸的最大應(yīng)力依次增大。回轉(zhuǎn)臺(tái)的最大應(yīng)力按工況A、工況B和工況C的順序依次增大。

3? ?關(guān)鍵結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性仿真

3.1? ?分析流程

懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性仿真分析流程如下：先確定模型自由度和主動(dòng)件，選取廣義坐標(biāo)，分析確定廣義運(yùn)動(dòng)速度；隨后求解各個(gè)構(gòu)件的動(dòng)能、勢(shì)能、驅(qū)動(dòng)力、速度、加速度等動(dòng)力學(xué)參數(shù)；最后根據(jù)虛功原理確定廣義力，將其代入拉格朗日方程，得到關(guān)鍵結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)微分方程[8]。

3.2? ?回轉(zhuǎn)液壓缸和升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力分析

數(shù)值計(jì)算采用有限元分析軟件ANSYS的Mechanial Dynamics模塊，計(jì)算設(shè)定為2種動(dòng)力學(xué)工況，分別是非冗余驅(qū)動(dòng)和冗余驅(qū)動(dòng)。表3為非冗余與冗余驅(qū)動(dòng)條件下，回轉(zhuǎn)液壓缸和升降液壓缸的驅(qū)動(dòng)力仿真計(jì)算結(jié)果。

非冗余驅(qū)動(dòng)條件下，回轉(zhuǎn)液壓缸和升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力變化如圖5所示。

從圖5中可以看出，在非冗余驅(qū)動(dòng)下，添加驅(qū)動(dòng)力的左回轉(zhuǎn)液壓缸和左升降液壓缸呈現(xiàn)隨動(dòng)狀態(tài)，在400s內(nèi)呈現(xiàn)規(guī)律性的波動(dòng)。

左回轉(zhuǎn)液壓缸和左升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力有2個(gè)周期性的穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)，其驅(qū)動(dòng)力波動(dòng)范圍分為別為225～556kN、-600～215kN。左升降液壓缸動(dòng)力也有2個(gè)穩(wěn)定的波動(dòng)狀態(tài)，但其波動(dòng)范圍進(jìn)一步縮小，驅(qū)動(dòng)力波動(dòng)范圍分為別為450～556kN、-200～0kN。未添加驅(qū)動(dòng)力的隨動(dòng)液壓缸（右回轉(zhuǎn)、右升降液壓缸）驅(qū)動(dòng)力均為零。

冗余驅(qū)動(dòng)條件下，回轉(zhuǎn)液壓缸和升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力如圖6所示。

從圖6中可以看出，在冗余驅(qū)動(dòng)下，左回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)力和右升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力均呈現(xiàn)隨動(dòng)狀態(tài)，在400s內(nèi)呈現(xiàn)規(guī)律性的波動(dòng)，且左回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)力曲線與右升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力曲線相互間呈現(xiàn)鏡像關(guān)系。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

本文以EBZ160型煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，采用數(shù)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(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)特性，分析非冗余驅(qū)動(dòng)和冗余驅(qū)動(dòng)下懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，得到以下結(jié)論：

工況A和工況C的懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力表現(xiàn)為大致相同的變化規(guī)律，工況B的懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力略有不同。在工況A和工況C條件下，回轉(zhuǎn)臺(tái)銷軸的最大應(yīng)力出現(xiàn)在1#銷軸。在工況B條件下，回轉(zhuǎn)臺(tái)銷軸的最大應(yīng)力極值出現(xiàn)在2#銷軸、5#銷軸、7#銷軸。回轉(zhuǎn)臺(tái)的最大應(yīng)力按工可A、工況B和工況C的順序依次增大。

在非冗余驅(qū)動(dòng)下，添加驅(qū)動(dòng)力的左回轉(zhuǎn)液壓缸和左升降液壓缸呈現(xiàn)隨動(dòng)狀態(tài)，在400s內(nèi)呈現(xiàn)規(guī)律性的波動(dòng)，回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)力有2個(gè)周期性的穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)。在冗余驅(qū)動(dòng)下，左回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)力和右升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力均呈現(xiàn)隨動(dòng)狀態(tài)，在400s內(nèi)呈現(xiàn)規(guī)律性的波動(dòng)，且左回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)力曲線與右升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力曲線相互間呈現(xiàn)鏡像關(guān)系。

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