煤矿用掘进机截割臂轴套结构强度分析与改进

张欣宇

（阳泉市大阳泉煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000）

引言

煤炭资源作为我国经济社会发展不可或缺的能源之一，需求量逐年增加，因此对采掘机械的强度要求也越来越高[1]。我国煤炭资源分布不集中，使得各地区煤层的地质条件不尽相同，只有提高掘进机的工作能力才能适应较为复杂的煤层工况[2-4]。某型号掘进机因其较高的掘进效率、较低的能源消耗等优势取得了较为广泛的应用，得到了煤炭行业的认可。掘进机的工作环境恶劣，受力状况多变，工作冲击载荷较大，加大了掘进机结构部件出现破坏的可能[5]。截割臂作为直接截割煤层的关键部件，其工作的可靠性关系着整个掘进机能否安全稳定运行，其中轴套的强度和刚度至关重要[6]。因此对截割臂轴套进行仿真分析，找出应力集中位置进行优化改进具有重要的意义。

1 截割臂组成及工作原理

某型号掘进机为横轴式掘进机，其组成部件包括截割机构、回转机构、装运机构、行走机构、液压系统、电气系统等，其中较为关键的截割机构包括工作臂、截割头、截割电动机、截割减速器等部件。截割机构运行时的驱动扭矩来源于交流电动机，经联轴器传输至减速器进行降速增扭，之后驱动截割头旋转工作。掘进机截割臂工作时的位姿调整由伸缩缸伸出缩回动作实现，确保煤炭巷道截面的均匀掘进。当煤炭巷道截面煤炭采掘完毕，掘进机行走机构前进，实现煤炭巷道深度方向的掘进，进而完成煤炭巷道掘进采煤。

2 截割臂轴套有限元分析

2.1 三维模型的建立

运用SolidWorks三维建模软件完成整个截割臂的绘制，因实际的截割臂结构较为复杂，对其三维模型进行了必要的简化，省去了各个结构部件之间的连接螺栓、各个部件本身的倒角、圆角以及不影响分析结果的螺栓孔等。

2.2 材料属性设置

将建立完成的截割臂三维模型文件进行另存，保存成ANSYS仿真分析软件可以直接倒入的.igs文件。在ANSYS仿真软件中打开截割臂三维模型，对截割臂轴套进行材料属性设置，其材料属性参数如表1所示，截割臂其他组成部件的材料属性设置刚性材料。

表1 截割臂轴套材料力学性能

2.3 网格划分

网格划分的质量直接关系着截割臂轴套仿真计算结果的准确性，不仅需要控制单元格类型，还要控制单元格的疏密程度。截割臂单元格类型选择原则如下：结构简单的构件选择solid45单元，结构相对复杂的选择solid92单元；疏密程度设置时将重点分析对象轴套进行网格细化，以便提高仿真分析结果的准确性。

2.4 载荷施加

根据掘进机截割臂型号和工况，得到截割臂自重为235 kN，运行时回转力矩最大值为150 kN·m，进给过程中截割臂输出的最大推进力为600 kN，截割臂横向移动时输出的最大横向力为200 kN，升降时输出的最大垂直力为155 kN。此处重点分析截割臂横向运动时轴套的强度，基于此完成截割臂载荷施加。

2.5 仿真结果分析

完成掘进机截割臂有限性仿真分析前处理之后启动ANSYS仿真计算软件自带的分析求解器进行静强度分析，由仿真分析结果中提取轴套的Von-Mises等效应力分布云图，如图1所示。

图1 轴套应力（Pa）分布云图

由图2截割臂轴套应力分布云图可以看出，轴套缺口边角位置存在明显的应力集中现象，最大应力值为154 MPa，除此之外的轴套其他位置的应力值较小，均未超过50 MPa且分布较为均匀。轴套材料型号为ZCuA110Fe3，屈服强度值为180 MPa，应力集中位置的最大应力与其极为接近，计算得到安全系数大小仅为1.16，工作过程中承受较大的冲击载荷时，轴套边角位置就存在出现损坏的危险。轴套工作过程中一旦出现损坏，极有可能导致截割臂丧失伸缩功能甚至卡死截割臂，影响掘进机的正常生产，严重时可能出现安全事故，给煤炭企业带来不可估量的经济损失。

图2 截割臂轴套应力集中位置

3 改进设计

3.1 改进方案

由截割臂静强度分析结果得到轴套缺口边角位置工作时存在损坏的可能，具体位置见图2，为了提高其工作可靠性，必须进行改进设计。目前结构件应力集中问题改进措施众多，如增大结构件尺寸、更换强度更好的材料、优化结构件热处理工艺等。结合截割臂轴套应力集中现象、改进的技术难度和成本等情况，拟将截割臂轴套缺口减小2 mm，该改进方案既不影响截割臂的整体结构尺寸，又不影响轴套的正常安装使用，改进难度较小，具有很好的可行性。

3.2 改进结果

对改进之后的截割臂轴套进行三维模型的修改完善，之后重新导入ANSYS有限元仿真计算软件进行前处理，参数设置过程和数值均与轴套改进之前一致，以便实现结构改进前后的对比。启动ANSYS仿真软件自带求解器进行改进轴套静强度分析，提取改进轴套的Von-Mises等效应力分布云图，如图3所示。由图3仿真分析结果可以看出，改进轴套的最大应力值为74 MPa，位置依然出现在轴套缺口边角位置，结合材料的屈服强度值180 MPa计算得出改进轴套的安全系数为2.4，足以满足截割臂的工作需要。

图3 改进轴套应力（MPa）分布云图

提取改进轴套的等效位移分布云图，如图4所示，由图4可以看出，相对于全局坐标系，改进轴套的最大位移值为5.432 mm，最小位移值为4.55 mm，最大位移量与最小位移量之间的差值仅为0.9 mm。改进轴套工作过程中的位移量变化较小，足以满足截割臂工作时的刚度要求，由此可见截割臂轴套改进有效，具有很好的工程实用性，保证了截割臂对于轴套的强度和刚度要求。

图4 改进轴套位移（mm）分布云图

4 应用效果评价

为了验证截割臂改进设计的合理性和仿真计算结果的准确性，将改进截割臂轴套三维模型转化为工程图进行加工制造，之后将其应用于某型号截割机中进行应用。结果表明，改进轴套工作稳定可靠，提高了掘进机承受水平载荷的能力。据统计，相较于原截割臂轴套结构，改进轴套相同时间内磨损量降低近10%，预计提高轴套8%~12%的使用寿命，减少了掘进机因轴套故障而导致的停机时间，取得了很好的应用效果。