采煤机导向滑靴失效分析与优化设计

王腾飞

（阳泉市南庄煤炭集团有限责任公司，山西 阳泉 045000）

引言

煤炭资源需求量的不断增加，深部煤矿开采成为未来煤炭企业必将面临的发展趋势。采煤机作为煤炭采掘工作的关键设备，其工作的可靠性不仅关系着井下作业人员的安全，还与煤炭开采的产量和效率息息相关，必须引起煤矿企业高度重视[1]。导向滑靴作为采煤机的重要组成部件，随着采掘煤层深度的不断增加，其所受的载荷不断增大，对其工作的稳定性提出了较高要求[2-3]。煤炭深层采掘过程中煤壁极易出现片帮问题，造成采煤机需要承受侧向力，加快导向滑靴的摩擦磨损，降低导向滑靴的使用寿命[4]。相关研究表明[5-6]，采煤机采掘时导向滑靴失效率较高，导致综采工作面工作停滞，影响煤炭企业的采煤产量和效率。因此对采煤机导向滑靴强度进行研究具有重要的意义。

1 导向滑靴失效分析

采煤机设计过程中行走机构的水平方向的弯曲角范围为±10°，垂直方向的弯曲角度范围为±3°，导向滑靴作为行走机构的关键部件，其磨损情况与弯曲角直接相关，磨损量越大，导向滑靴的弯曲角越大。导向滑靴弯曲角增大之后会使导钩所受的挤压应力增大，当挤压应力超过导向滑靴材料的许用应力时就会出现断裂失效问题。研究表明，采煤机的截割部和行走部极易出现故障，前者约占全部故障的四成，后者约占全部故障的三成，其中行走机构中的导向滑靴故障率最高。通常采煤机导向滑靴更好时间大约需要7 h 左右，并且需要工作面停止生产，不仅降低采煤机的有效工作时间，还会减少煤炭企业的产量，必须引起高度重视。

2 导向滑靴强度分析

2.1 三维模型建立

参照某型号采煤机导向滑靴的结构尺寸图纸，运用SolidWorks 三维建模软件完成了导向滑靴三维模型的建立。因其结构较为复杂，为了提高导向滑靴仿真计算的效率，将不影响计算结果的倒角、圆角、螺纹等进行了简化处理。将建立完成的导向滑靴三维模型另存为.igs 文件，即可倒入ANSYS 仿真计算软件进行前处理工作。

2.2 添加材料参数及网格划分

将导向滑靴三维模型倒入ANSYS Workbench 仿真计算软件进行材料属性的设置，导向滑靴材料牌号为ZG35CrMnSi，其材料属性参数如下：弹性模量为200 GPa，抗拉强度为980 MPa，屈服强度为835 MPa，泊松比为0.3。完成导向滑靴材料属性设置之后进行网格划分，采用自由划分方法，选择四面体单元类型，完成网格划分得到有限元仿真模型，如图1 所示。

2.3 添加约束与载荷

根据采煤机导向滑靴实际工作情况，分析得出导向滑靴主要受力为支反力和侧向力，导向滑靴在垂直倾角7°、侧向倾角10°时的工作状况最恶劣，对其进行仿真计算得出前导向滑靴垂直方向的最大支反力值为185 kN，指向踩空侧方向的最大侧向力值为242 kN；后导向滑靴垂直方向的最大支反力值为767 kN，指向踩空侧方向的最大侧向力值为371 kN，将上述载荷分别施加于采煤机的前、后导向滑靴。对前、后导向滑靴的销轴孔施加完全约束，模拟其实际工作情况。

2.4 仿真结果分析

完成约束与载荷添加之后即可启动ANSYS workbench 有限元仿真计算软件自带求解器，进行采煤机前、后导向滑靴强度分析，提取前后导向滑靴应力分布云图，如图2、图3 所示。由图2 采煤机前导向滑靴应力应变分布云图可以看出，前导向滑靴工作过程中的应力最大值为245.9MPa，出现在前导向滑靴的踩空侧，处于销轴孔的下半圆位置，其值未超过导向滑靴材料的许用应力值490 MPa。由图3 采煤机后导向滑靴应力分布云图可以看出，后导向滑靴工作过程中的应力最大值为527.8 MPa，出现在后导向滑靴的煤壁侧，处于销轴孔的下半圆位置，其值超过导向滑靴材料的许用应力值490 MPa，不能满足导向滑靴的工程要求，需要进行优化改进。

图2 前导向滑靴应力（Pa）云图

图3 后导向滑靴应力（Pa）云图

3 后导向滑靴结构改进

3.1 改进方法

后导向滑靴工作过程中存在明显的应力集中情况，超过了材料的许用应力，存在断裂隐患，位置出现在煤壁侧的销轴孔，需进行改进以便提高导向滑靴的工作可靠性。相关研究表明提高采煤机后导向滑靴强度的方法众多，比如提高耳板的强度等级、增加销轴孔的倒角尺寸、改进后导向滑靴的材料、优化后导向滑靴的热处理工艺等。考虑后导向滑靴的实际应用情况，选择增加销轴孔耳板的厚度和倒角尺寸的方法进行优化设计，将耳板厚度尺寸加大15mm，同时将销轴孔的倒角尺寸加大2 mm。

3.2 改进结果分析

将改进之后的后导向滑靴重新建立三维模型，之后导入ANSYSWorkbench 进行仿真计算，前处理设置参数与改进之前完全一致，以便进行强度对比分析。仿真计算结果如图4 所示。由图4 中采煤机改进后导向滑靴的应力应变分布云图可以看出，其最大应力值为442.6 MPa，相较于改进之前降低了85.2 MPa，并且未超过导向滑靴的许用应力值，满足导向滑靴工程应用要求，有利于后导向滑靴性能的提高。综述可以得出提高耳板厚度和销孔倒角尺寸能够提高后导向滑靴的结构强度，取得了预期的改进效果。

图4 后导向滑靴应力（Pa）云图

4 应用效果分析

为了验证采煤机后导向滑靴的改进效果，按照优化之后的结构尺寸完成了后导向滑靴的加工制造，将其应用于某型号采煤机进行应用，跟踪观察其1 年时间内的应用效果。应用结果表明，改进之后的后导向滑靴应用稳定可靠，能够满足采煤机的工作要求。统计结果表明，相较于后导向滑靴改进之前，后导向滑靴的改进，使采煤机的利用率提高了近15%，设备维护维修成本降低了近10%，减少了工作面近10%的停工的时间，预计为企业新增经济效益200 万/年，取得了很好的应用效果。