矿用掘进机后架的运行结构强度分析

赵 鑫

（晋能控股煤业浙能麻家梁煤业有限责任公司， 山西 朔州 036000）

引言

随着各煤矿对煤矿资源需求的不断扩大，国内政府及企业纷纷加大了对煤矿资源的支持及开采力度，越来越多的煤矿设备被应用到井下煤矿开采中。矿用掘进机主要负责对工作面煤矿的开采作业，在各大煤矿开采区域均得到了广泛应用[1]。但由于井下环境的恶劣性，掘进机设备在运行时经常出现工作温度较高、振动剧烈、结构件疲劳失效、电机短路等失效现象，严重影响了煤矿的高效开采及工作面的正常运行[2]。其中，后架作为掘进机中的关键部件，保证其结构强度及刚度的稳定，对提高掘进机的作业效率至关重要。为此，利用当前成熟的有限元分析技术，开展了对EBZ160A 型掘进机中后架在使用过程中的结构性能研究，找到了其结构存在的薄弱点，提出后架结构改进措施，这对提高后架及掘进机的使用寿命具有重要意义。

1 掘进机及后架结构特点分析

矿用掘进机在井下作业时主要负责井下煤层的切割作业，常与采煤机、液压支架等设备进行配套使用。以EBZ160A 型掘进机中后架为例，其结构主要包括截割机构、行走机构、后架等部分[3]，与传统的掘进机相比，该型号掘进机的最大高度不超过1.5 m，其机身相对较矮，能实现井下1.8 m 巷道条件下的煤矿掘进作业，有效提高了出煤质量及掘进效率[4]。后支架作为掘进机中的关键部件，其结构主要包括连接架、后支架、后架连接板、连接板及泵站支架等部位，其中，后架连接板通过12 颗M24 螺栓与主机架进行连接，电控箱支架与泵站支架则主要通过16颗M20 的螺栓与后支架进行连接[5]，由此实现后支架的相互连接。掘进机作业时，由于会受到无规律的较大外界冲击作用，加上设备的工作时间较长，导致后架在实际使用过程中出现了结构变形严重、局部开裂或结构断裂等失效现象，而后支架一旦出现结构失效，将极可能使支架上的相关设备掉落至地面甚至摔坏[6]。为此，结合后架的实际使用工况，对其结构性能进行综合分析十分有必要。

2 后架模型建立

2.1 后架三维模型建立

为掌握后架的结构强度及综合性能，利用Solidworks 软件建立了掘进机后架的三维模型。根据EBZ160A 型掘进机中后架的结构特点，所建立的后架模型主要包括连接架、后支架、连接板及泵站支架等部位。为保证后架分析结果的准确性及快速性，并减少误差，将后架中的非关键圆角、倒角、较小螺栓孔等进行了模型简化，仅保留了后架上的关键部件，最终按照1∶1 的模型比例建立了后架的三维模型，如图1 所示。

图1 后架三维模型图

2.2 后架仿真模型建立

将建立的三维模型导入至ABAQUS 软件中，建立后架的仿真模型。在软件中，将后架的材料属性设置为Q235 材料，根据Q235 材料的性能参数可知其屈服强度为235 MPa，弹性模量为206 GPa，密度为7 850 kg/m3，泊松比为0.28。同时，将后架支架中各部件之间的接触面进行自由contact 接触设置，对螺丝连接孔进行固定约束。根据后架的结构尺寸，对后架结构进行了四面体网格划分，网格大小为12 mm，并对局部区域进行了网格加密，划分后的单元数量为882 856 个，后架的网格划分图如图2 所示。另外，对后架中的左右电控箱平台施加14.5 kN 的向下重力载荷，中部泵站支架也设置16 kN 的向下重力，并对后架的前端面进行了tie 全自由的固定约束。由此完成了对后架仿真模型的建立。

图2 后架网格划分图

3 后架使用过程中的结构性能分析

3.1 后架应力变化分析

图3 为掘进机后架在使用过程中的应力变化图，通过对应力云图分析可知：后架整体结构出现了较为明显的应力集中现象，应力分布不均匀，局部区域出现了较大的应力集中现象，最大应力出现在中部泵站支架上，后端支架也出现了一定的应力集中现象。后架的其余区域应力则相对较小。由此，找到了后架的结构强度变化规律。出现此现象的原因主要为后架受到电控箱及泵站向下的作用力，导致在支架与支架的连接处出现了较大的应力，其余区域的结构强度相对较好，故未出现明显的应力。由此可知，后架的中部泵站支架是一个薄弱部位，在使用时需对其进行重点观察及维护保养。

图3 后架应力变化图

3.2 后架结构位移变化分析

图4 为后架在使用过程中的结构位移变化图，通过对云图分析可知，后架整体结构出现了较为明显的结构位移变化，最大结构变形量出现在作业电控箱左右支架的后端，沿着支架前端方向，结构变形量呈逐渐减小的变化趋势。后架的中部泵站支架、前端连接架等区域基本未出现位移变化。由此可说明后架的左右电控箱支架是整个结构的薄弱部位，特别是支架后端；由于后架在使用时所受到的外界载荷具有不确定性，经常会受到猛烈的不均匀载荷冲击作用，当后架的轴端上作用力长时间超过其峰值载荷及峰值位移，最终将极易导致其结构出现变形、开裂或断裂等失效现象，这对后架结构及掘进机设备的安全性构成严重威胁，故需对其结构进行优化改进研究。

图4 后架结构位移变化图

4 后架的结构改进措施

经过分析研究，得出后架的左右电控箱尾端及中部的泵站支架均是整个结构中的薄弱部位，一旦后架处于长时间的超负荷作业，将极容易导致其结构出现变形、开裂或断裂等失效现象，这对后架结构及掘进机设备的安全性构成严重威胁，故从多个方向提出了后架的结构改进措施，具体如下：

1）针对结构中出现的较大应力区域，在非受力部位开设直径2～3 mm 的圆孔，使得中部支架及左右支架上的较大应力能转移至圆孔的薄弱部位，缓解后架的结构应力集中现象，保证整个结构的受力均匀性；

2）根据后架的实际使用工况，可考虑将其材料由屈服强度为235 MPa 的Q235 改变为屈服强度为345 MPa 的Q345 材料，这将提高后架的支撑性能及结构强度，防止或降低该结构发生疲劳失效概率；

3）对后架中的左右支架进行结构加固，在左右支架后端添加支撑条及加强板，数量可根据结构尺寸进行具体设计，并将左右支架尾端材料厚度增加2 mm，以提高后端的结构强度，减少其结构变形；

4）左右支架整体可采用中部架空及增加支撑的结构模式，既可减轻结构重量，又提高了其结构的抗弯强度；

5）定期对后架关键受力部件的结构性能及变形情况进行观察、巡检及维护保养，一旦发现其结构发生变形并影响到后架的支撑性能时，需及时采取结构加固或其他应急措施，以保证整个结构的作业安全。

5 结论

1）后架中电控箱尾端及中部的泵站支架均是整个结构中的薄弱部位，一旦后架长时间处于超负荷作业状态，将极容易导致其结构出现变形、开裂或断裂等失效现象，这对后架结构及掘进机设备的安全性构成严重威胁，由此也掌握了后架的结构性能变化规律。

2）从材料属性、结构尺寸及应力转移等方面提出了后架的结构改进措施，这为提高后架的结构性能及使用寿命，及指导掘进机结构的进一步优化改进提供了重要参考依据。