煤矿用掘进机截割臂伸缩外筒强度分析与优化设计*

秦国明

(山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048000)

0 引 言

掘进机主要负责煤层的掘进与转运任务，是煤矿井下采煤作业的直接设备[1-3]。截割臂作为掘进机直接接触煤层，实现落煤的重要机构，其服役条件极为苛刻，是掘进机极易出现故障的部件，其工作可靠性要求较高[4]。一旦掘进机截割臂出现故障，将导致井下作业停滞和安全事故发生，给企业带来较大的经济损失，因此截割臂各个组成部件的强度特征至关重要[5-6]。笔者针对某型号掘进机截割臂工作可靠性优化目标，以截割臂伸缩外筒为研究对象，对其开展强度分析与优化设计，目的是提高整个截割臂工作安全性和可靠性，保证整个设备的安全稳定运行，为企业安全生产打下良好的基础。

1 掘进机结构及工作原理

掘进机是一种集截割、装载、输运、行走、喷雾等功能于一身的煤矿采掘设备。目前煤炭企业应用较为广泛的为横轴式掘进机，主要由截割机构、装运机构、行走机构和辅助机构组成，其结构布置中截割头和截割臂轴线相互垂直，截割头负责水平进给，悬臂负责水平摆动，进而实现煤炭巷道的掘进功能。图图1所示，截割臂作为掘进机的重要组成部件，直接关系着煤炭巷道掘进功能的实现和掘进效果的高低。伸缩外筒作为截割臂伸缩功能实现的关键部件，受力情况极为复杂，随着煤炭需求量的提高，对其可靠性要求越来越高。

图1 截割臂组成1.截割头 2.伸缩部 3.减速器 4.电动机

掘进机工作过程的基本原理如下：电动机为截割头提供动力，经过减速器进行降速增扭，驱动掘进机截割头旋转；伸缩臂作为截割头伸缩运动的主要部件，实现截割头与煤炭之间的截割量；截割头在旋转与伸缩动作的共同作用下实现煤炭的连续截割。

2 截割臂伸缩外筒有限元分析

2.1 三维模型的建立

为了更好的模拟伸缩外筒的实际工作情况，此处采用Pro/E软件建立整个截割臂的三维模型，仿真完成之后提取伸缩外筒进行分析。为了提高ANSYS仿真计算结果的效率，三维建模时省略了截割臂组成部件中对分析结果影响不大的螺纹孔等结构。

2.2 材料属性设置

截割臂三维模型导入ANSYS仿真计算软件之后进行材料属性设置，伸缩外筒材料牌号为ZG35CrMo，材料属性参数如下：弹性模量为206 GPa，泊松比为0.28，屈服强度为510 MPa，抗拉强度为740 MPa。除此之外的部件设置为刚性材料。

2.3 网格划分

整个截割臂涉及两部分，一部分为塑性部件，即伸缩外筒，另一部分为刚性部件，即除伸缩外筒之外的组件。网格划分时塑性部件采用Solid92单元类型，刚性部件采用Solid45单元类型。为了提高伸缩外筒的仿真计算结果，对其网格进行了细化。

2.4 载荷施加

服役掘进机运行时截割臂不仅需要承受较大的自身重量，还需要承受煤炭掘进时的回转力矩、推进力、垂直力和横向力等。实际工作中掘进机截割臂进给过程中所受载荷最大，计算得最大推力为600 kN，威胁截割臂的安全使用性能。因此分析伸缩外筒强度时，仅对其施加最大推进力载荷的施加。

2.5 仿真结果分析

截割臂有限元仿真分析计算完成，提取伸缩外筒的米塞斯等效应力分布云图，如图2所示。由图2可以看出，外筒表面与圆弧面过渡连接位置、方孔夹角位置和耳环外筒焊接位置存在明显的应力集中情况，最大应力值为498.23 MPa，其余部位所受应力较小。相较于伸缩外筒材料的屈服强度510 MPa，二者极为接近。当前是对截割臂伸缩外筒的静强度分析，因其实际工作时，承受静载荷之外还存在煤炭对其截割时的反作用力动载荷，最大应力接近材料屈服强度时，载荷的突然波动就可出现伸缩外筒的破坏，导致出现截割臂故障甚至事故。

图2 伸缩外筒应力 图3 截割臂伸缩外筒应力 分布云图 集中位置

3 优化设计

3.1 优化方案

截割臂伸缩应力集中位置包括以下三个位置分别是外筒表面与圆弧面过渡连接位置、方孔夹角位置、耳环外筒焊接位置，如图3所示。为了改善伸缩外壁应力集中情况，提高截割臂工作可靠性，需要对应力集中位置进行改进。综合考虑改进技术方法和难度，确定通过在原来伸缩外筒结构基础上，将外筒表面与圆弧面过渡连接位置的圆角半径增大1 mm，方孔夹角位置增加45°倒角，耳环外筒焊接位置的圆角半径增大2 mm。改进之后的伸缩外筒能够与截割臂正常组装，改进难度小，方法经济可行。

3.2 优化结果

根据截割臂伸缩外筒改进方案，首先修改其三维模型，再次导入ANSYS仿真计算软件进行分析，以便验证改进方法的可行性及效果。为了便于改进效果前后的比较，要求改进后伸缩外筒仿真计算前处理过程及参数与改进前保持一致。前处理完成之后启动ANSYS软件自带求解器进行强度分析。由图4伸缩外筒应力分布云图可以看出，改进之后的伸缩外筒最大应力明显降低，改善了应力集中现象，最大应力值仅为243.83 MPa，位置出现在耳环连接孔位置。计算得出伸缩外筒的安全系数为2.09，足以满足截割臂设计要求。

图4 改进伸缩外 图5 改进伸缩外筒位移 筒应力 分布云图

由ANSYS仿真计算结果中提取改进之后伸缩外筒等效位移分布云图，如图5所示，可以得出，截割臂伸缩外筒工作过程中的最大位移为5.686 mm，出现在伸缩外筒前端支撑滚筒的位置。因实际截割臂尺寸较大，伸缩外筒的实际变形与之相比较小，可以忽略不计，因此可得，截割臂伸缩外筒的位移变化满足截割臂要求，工程应用中的刚度满足截割臂使用要求。

分布云图为了确定截割臂伸缩外筒优化设计的实际效果，将改进之后的伸缩外筒应用于改进之前的截割机中进行试运行，对其进行为期半年的跟踪记录。运行结果表明，改进截割臂伸缩外筒运行稳定可靠，提高了其水平推进能力。统计结果显示，改进伸缩外筒的应用，降低了掘进机约15%因截割臂故障导致的停机时间，提高了10%～12%伸缩外筒使用寿命，提高了约3%的掘进机采煤产量，预计为煤炭企业新增经济效益近250万元/年。

4 结 语

通过对某型号掘进机截割臂伸缩外筒进行强度分析，得出伸缩外筒的表面与圆弧面过渡连接位置、方孔夹角位置和耳环外筒焊接位置存在应力集中，最大应力为498 Pa，接近材料屈服强度，存在安全隐患。通过增大伸缩外筒圆角半径和倒角尺寸，改善了伸缩外筒的应力集中现象。应用结果表明，改进伸缩外筒的应用，提供了掘进机截割部分的可靠性，保证了掘进机的工作效率，为企业创造了更多的经济效益。