采煤机行走部导向滑靴中部撕裂问题分析与改进

李 峰

（山西乡宁焦煤集团台头前湾煤业有限公司，山西 乡宁 042100）

引言

煤炭作为生产和生活必不可少的能源之一，近年来的需求量不断提升，极大地推动了煤炭企业的发展[1]。煤炭掘进关键设备为采煤机，煤炭产量剧增对其工作的可靠性提出了更高的要求[2]。行走部作为采煤机的重要组成部分，是其行走运动的主要动力来源，也是服役条件较为苛刻的部件[3]。行走部中的导向滑靴是实现采煤机沿规定轨道行走的导向结构件，其不仅会受到较大的重力作用，还会受到采煤机截割煤过程中较大的侧向力，复杂的受力状态使其工作过程中极易出现撕裂破坏故障，影响采煤机的正常工作，限制了煤炭企业产能和采煤的效率，必须引起高度重视[4-6]。针对某煤炭企业采煤机行走部导向滑靴中部撕裂问题，开展了撕裂问题分析，提出合理改进策略，对于提高采煤机掘进工作的可靠性具有重要意义。

1 导向滑靴中部撕裂问题的原因

采煤机导向滑靴出现了中部撕裂问题，导致了采煤机不能正常掘进，使煤炭掘进人员停工，降低了企业煤炭产量。为了弄清楚导向滑靴出现中部撕裂问题的原因，企业相关技术人员展开讨论，大家一致认为是行走轮与销排正常啮合行走是导向滑靴保证的，使的导向滑靴的受力极为复杂，与此同时，导向滑靴服役环境条件极差，导致了行走部导向滑靴出现了中部撕裂故障。可以看出，技术人员分析得到的导向滑靴中部撕裂问题原因是定性的，并未直观地指出中部撕裂问题的原因，因此，笔者拟采用有限元仿真分析技术，研究得到导向滑靴出现中部撕裂问题的原因，以便提出合理化的建议指导现场生产和改进。

2 有限元仿真分析

2.1 三维模型建立

导向滑靴进行有限元仿真之前需要建立三维模型，此处选择SolidWorks软件完成了导向滑靴三维模型建立，为了提高三维模型导入ANSYS仿真计算软件中的成功率和计算效率，对导向滑靴中不影响计算结果的特征进行了简化，包括倒角、圆角、螺纹孔等。

2.2 材料属性设置

将导向滑靴三维模型导入ANSYS仿真计算软件之后进行材料属性设置，其中导向滑靴的材料牌号为ZG35CrMnSi，具体材料属性数值如下：弹性模量数值为200 GPa，泊松比数值为0.3，抗拉强度数值为980 MPa，屈服强度数值为835 MPa。

2.3 网格划分

网格划分质量直接关系导向滑靴的仿真计算结果，此处选择四面体单元格类型，为了提高计算精度，对导向滑靴与销排齿轨的接触面进行了网格细化，其他位置选择默认设置，启动ANSYS仿真软件网格划分功能，完成了导向滑靴网格划分，结果如图1所示。

图1 有限元仿真模型

2.4 约束与加载

根据采煤机实际工作情况，确定导向滑靴仿真分析最恶劣的工况为正常截割煤层无倾角时，此工况为采煤机滚筒截齿吃满刀状态，导向滑靴处于受力状态下只能是接触面中的两个面在受力。基于上述工况计算导向滑靴的支撑力为103.3 kN，侧向力数值为251.6 kN，分别施加于有限元模型，将两销轴孔完全约束。

3 仿真结果与分析

3.1 仿真结果

完成导向滑靴有限元仿真分析前处理工作，包括网格划分、材料属性设置、约束和载荷施加等，之后启动ANSYS仿真计算软件自带求解器进行仿真计算，计算完成之后，进行仿真后处理，提取导向滑靴的等效应力分布云图和变形分布云图，分别如图2和图3所示。

图2 等效应力（MPa）分布云图

图3 变形（mm）分布云图

3.2 仿真结果分析

由图2采煤机行走部导向滑靴仿真计算得到的等效应力可以看出，导向滑靴最恶劣工况下工作时所受的最大应力数值为349.1 MPa，位于导向滑靴的左铰耳与中部板连接处，应力集中较为明显的位置时右铰耳与中部板连接处和铰耳的下圆角处。相较于导向滑靴制备材料ZG35CrMnSi的许用应力490 MPa，最大应力与之较为接近，若其使用过程中出现较大的侧向力极有可能导致导向滑靴中部出现撕裂故障，这与实际使用过程中导向滑靴出现中部撕裂的问题一致，可见，右铰耳与中部板连接处和铰耳的下圆角处应力较为集中是导致导向滑靴中部撕裂的主要原因。

由图3导向滑靴变形的计算结果可以看出，导向滑靴工作过程中的最大变形数值为0.619 mm，最大变形出现在导钩下端，除此之外的其他位置的变形较为均匀，总体来说变形量不大，能够满足导向滑靴的使用要求。

4 优化改进

针对导向滑靴实际使用过程中出现中部撕裂的问题，结合有限元仿真分析得到的原因，对当前使用的导向滑靴提出如下改进意见：将两个铰耳与中部板两节位置的过渡圆角半径增大，同时也将铰耳孔位置的圆角增大，这样可以降低导向滑靴的局部应力集中情况；将导向滑靴的中部板和导钩的厚度数值提高，以便增加导向滑靴的整体结构强度，防止再次出现中部撕裂问题；在导向滑靴与齿轨的四个接触面上焊接具有较好耐磨性能的材料，降低其使用过程中的磨损速度，延长导向滑靴使用寿命。结合导向滑靴的改进难易程度，确定采用第一种改进方法重新制备导向滑靴，将两个铰耳与中部板两节位置的过渡圆角半径在原有基础上增加1.5 mm，铰耳孔位置的圆角半径在原有基础上增加1 mm。

5 改进效果分析

为了验证导向滑靴的改进效果，重新建立三维模型，导入ANSYS仿真计算软件进行前处理，设置参数与改进前一致。完成仿真前处理之后启动软件自带求解器进行仿真计算，提取改进导向滑靴的应力分布云图，结果表明，改进后导向滑靴的最大应力数值为306.5 MPa，相较于改进之前降低了42.6 MPa，相较于导向滑靴制备材料的许用应力490 MPa，具有足够的安全裕度，取得了很好的改进效果，能够很好地改善导向滑靴出现中部撕裂故障的问题。

6 结语

导向滑靴作为采煤机行走部的重要组成部分，其工作的可靠性至关重要。针对某煤炭企业采煤机行走部导向滑靴中部撕裂问题，开展了撕裂问题仿真分析工作，结果表明，右铰耳与中部板连接处和铰耳的下圆角处应力较为集中是导致导向滑靴中部撕裂的主要原因。通过将两个铰耳与中部板两节位置的过渡圆角半径增加1.5 mm和铰耳孔位置的圆角半径增加1 mm的方法完成了导向滑靴的改进，结果表明，改进导向滑靴的最大应力数值为306.5 MPa，相较于改进之前降低了42.6 MPa，相较于导向滑靴制备材料的许用应力490 MPa，具有足够的安全裕度。