EBZ220 掘进机销轴在不同工况下的结构强度分析

段鹏鹏

（山西省高平市科兴米山煤业有限公司，山西 高平 048400）

引言

矿用掘进机作为煤矿开采中的关键设备，将其成功应用到煤矿开采中，保证其高效的开采效率及性能稳定性十分必要[1]。但由于井下环境的复杂性，加上掘进机作业工况的相对复杂，导致掘进机作业时经常出现各类故障问题，其中，油缸与各部件之间的连接销轴在使用过程中经常出现结构变形、局部开裂等问题，一但销轴断裂，将会使整个掘进机处于瘫痪停机维修状态，严重影响着整个矿井中煤矿的开采效率[2]。为此，采用了有限元分析方法，以EBZ220型掘进机为分析对象，开展了销轴在不同工况下的结构强度研究，提出了销轴的结构改进措施。这对提高销轴使用寿命及结构性能具有重要意义。

1 掘进机组成分析

掘进机是煤矿开采中的重要设备，根据掘进机的布局方式不同，可将其分为横轴式和纵轴式类型，根据其功能特点，将其分为了全断面掘进机、部分断面掘进机，细分又可分为单护盾式、双护盾式等类型[3]。以EBZ220 型掘进机为对象，该设备中的关键部件包括截割头、截割头轴、伸缩油缸、减速器输出轴、回转台、回转油缸、销轴、行走部、控制系统等组成，通过各部件的相互配合，实现设备的掘进采煤作业[4]。其中，回转台、油缸是整个结构中关键部件，由于井下环境的恶劣性，导致该些部件在使用时经常出现了结构变形、局部开裂等失效现象[5]。而设备中的销轴也是该设备中的主要受力部件，包括升降油缸截割电机之间的1 号连接销轴、回转油缸与回转台之间的2 号连接销轴等，如图1 所示。由于设备经常处于偏载状态，致使销轴也出现了变形、开裂或断裂等失效现象，不断对销轴进行结构性能分析及优化研究，已成为当前研究的重点。

图1 EBZ220 型掘进机结构图

2 销轴模型建立

2.1 销轴三维建立

根据掘进机的结构特点，重点对设备中的1 号和2 号销轴进行结构性能研究。采用了Solidworks 软件，按照EBZ220 型掘进机中销轴的实际结构尺寸，对其进行了三维模型建立。在建模时，将销轴两端的圆角、倒角及锁紧孔进行了特征简化，仅保留了销轴的关键受力区域，可有效提高销轴的分析精度及效率，由此，完成了销轴的三维模型建立。

2.2 销轴仿真模型建立

在完成销轴的三维模型建立后，将其保存为x-t格式，导入至ABAQUS 软件中，对其进行了仿真模型建立。根据销轴的实际使用特点及材料情况，在软件中将销轴的材料设置为Q235 材料，其材料密度7 850 kg/m3，材料屈服强度为235 MPa；弹性模量206 GPa；许用强度180 MPa。同时，将销轴按照实体单元类型进行了设置，网格类型选择了六面体网格类型，网格大小设置为5 mm，销轴网格划分后如下页图2所示。销轴与铰接连接处的约束主要设置为旋转和接触约束，以保证与实际作业情况相吻合。另外，由于掘进机的工况相对较多，故确定了工况一和工况二。工况一条件下，设置的俯仰角为-26°，水平角为28°，油缸施加载荷为21 MPa；工况二条件下，设置的俯仰角为44°，水平角为-28°，油缸施加的载荷为21 MPa[6]。

图2 销轴网格划分图

3 销轴结构强度分析

3.1 工况1 下销轴结构强度分析

通过对两个销轴的仿真分析，得到了其结构应力变化图。由图3-1 可知，1 号销轴整体结构出现了不同程度的应力集中现象，最大应力值出现在销轴的中间区域的一侧，为144.84 MPa，但未超出材料的屈服强度235 MPa，并向销轴两端呈逐渐减小的变化趋势。由图3-2 可知，2 号销轴也出现了中间区域一侧的较大应力集中现象，最大应力值与1 号销轴相比更低，为130.76 MPa，而销轴两端的应力则呈逐渐减少趋势，与1 号销轴的受力情况基本相同。分析其原因为销轴在工况1 条件下受到油缸与销轴孔之间的较大外界载荷作用，且中间区域主要是由于油缸的升或降导致的，出现了销轴中间一侧的较大应力。因此，在实际使用过程中，需对其进行重点检查及维护，保证销轴的结构安全性。

图3 工况1 下销轴应力变化图

3.2 工况2 下销轴结构强度分析

通过分析，得到了销轴的工况2 条件下的应力变化图（图4）。由图3 和图4 的销轴应力变化可知，两根销轴的受力情况基本相同，均是整体结构出现了分布不均匀的应力集中现象，在中间区域的一侧的应力值达到了最大值，最大值分别达到了194.39 MPa 和141.11 MPa，但也未超过其材料的屈服强度235 MPa，其中，1 号销轴的应力值相对较高；由销轴中间区域向两端，销轴上应力呈逐渐减小的变化趋势。分析其原因为：由于工况2 为掘进机截割部分为举升状态，导致1 号销轴除了受到油缸的支撑力作用，也受到截割部的自身向下的重力作用，致使1 号销轴所受到的应力值相对更高，而2 号销轴主要受到来自水平方向的阻力，故受力情况与工况1 下基本相同。若销轴长时间处于此工况下工作，极容出现结构失效现象，故需对销轴进行结构优化改进。

图4 工况2 下销轴应力变化图

4 销轴改进措施

根据前文分析，1 号和2 号销轴在不同工况下均出现了不同程度的应力集中现象，最大应力主要集中在销轴中间区域的一侧，为提保证销轴在不同工况条件下均具有较高的结构强度及性能，故制定了销轴的改进措施，具体如下：

1）将销轴的材料由当前的Q235 材料改为屈服强度更高的Q345 材料，使其材料的屈服强度提高至345 MPa，保证销轴具有更好的结构强度；

2）在销轴完成加工后，可对其进行调质、淬火等热处理操作，保证销轴具有更高的强度和刚度；

3）将销轴的直径增加4～5 mm，相应的铰接孔和油缸连接孔尺寸也做相应的增加调整，也能提高销轴的整体强度；

4）在销轴中间一侧区域的非应力集中区域开设直径较小的小孔，可考虑Φ2 mm，以将销轴上集中的应力转移至小孔处，有效缓解销轴的应力集中现象；

5）在掘进机不同工况作业时，应重点对销轴中部受力区域进行检查，若发出销轴出现磨损严重、变形或局部开裂等现象，可对其进行及时的维护保养，销轴与销轴孔之间定时添加润滑油，以降低受力部位的摩擦力。

5 结论

1）对销轴在不同工况下的结构强度进行分析研究，得出结论：1 号和2 号销轴的中间区域一侧均出现了较大程度的应力集中现象，是整个结构的薄弱部位。

2）从材料、结构、热处理加工、维护保养等方面提出了销轴的结构改进措施，以保证销轴的结构强度及使用寿命、提高设备的安全性。