悬臂式掘进机截割臂轴套结构强度分析及改进研究

牛家兴

（霍州煤电集团河津杜家沟煤业有限责任公司，山西 运城 043300）

引言

目前，市面上存在一种工作效率较高、能源消耗较少的掘进机，获得了一致好评。由于要进行持续不断的工作并且煤层中存在着大量的杂质，因此掘进机承受的载荷较大并且会存在突变的情况，容易造成整个设备的零部件损毁。截割臂是掘进机的重要零部件，其直接截割煤层，因此截割臂能够正常工作对于掘进机的稳定性有着重要影响；而轴套又是掘进机的关键零部件，需要保证轴套的强度和刚度。本文针对轴套性能的要求进行仿真分析，目的在于找到轴套在工作过程中应力最大处并对该处进行结构改进。

1 截割臂组成及工作原理

本文分析的掘进机属于横轴式掘进机，主要零部件有截割机构、回转机构、装运机构、液压系统以及电气系统等，决定其性能的有工作臂、截割头、截割电动机以及截割减速器等零部件。工作流程如下：交流电动机提供驱动扭矩，扭矩通过联轴器和减速装置传递至截割头处，经过降速增扭后带动截割头进行旋转截割。设备工作过程中位姿由气缸进行调整，保证开采速率。

2 截割臂轴套有限元分析

2.1 三维模型的建立

本文主要进行应力分析，采用Solid Works 搭建截割臂的三维模型。由于截割臂自身零部件较多，完全进行三维模型的构建较为复杂。分析过程难以进行，在搭建过程中进行适当的简化，部分结构用较为简单的形式表示，比如非工作面上的连接件以及工作面上对结果基本无影响的倒角等结构。

2.2 材料属性设置

模型搭建完毕后保存为.igs 的形式，该形式的模型可以直接导入ANSYS 软件中进行仿真分析。进行仿真首先要进行材料的设置，本文要分析轴套的应力因此将其余零部件设置为刚性材料即可，轴套的材料以及相关的参数如下表1 所示。

表1 轴套材料主要力学情况

2.3 网格划分

网格划分对于仿真结果的准确性有着重要影响，选用适当的单元格进行划分同时兼顾单元格的划分程度。对于截割臂划分单元格使用以下两种：简单的以及对结果影响较小的零部件采用solid45 单元，较为复杂的采用solid92 单元；单元格的疏密程度应当保证仿真结果的精度同时兼顾仿真计算过程的效率[1]。

2.4 载荷施加

查询本文选用的掘进设备的型号以及实际工作环境可得出如下参数：截割臂自重235 kN，工作过程中回转力矩最大值150 kN·m，进给过程中推进力最大值600 kN，横向移动时横向力最大值200 kN，升降时垂直力最大值155 kN。由于轴套的损坏通常出现在横向移动阶段，因此选择该阶段进行强度的分析，将上述参数施加于仿真模型之中。

2.5 仿真结果分析

完成模型导入、材料设置、网格划分以及参数设置后，使用ANSYS 仿真计算软件进行静强度分析，在仿真结果中可得轴套的Von-Mises 等效应力分布云图，具体结果图如下页图1 所示。

图1 轴套应力分布云图

截割臂轴套应力集中于轴套的缺口处，其中最大值为264.73 MPa，非缺口处的应力相对较小，基本处于50 MPa 以下，并且无应力集中情况。根据轴套材料型号查的其屈服强度值为180 MPa，和缺口处的最大应力相差较小，并且工作过程中要求的安全系数为1.16，加上恶劣环境中载荷的突然变化，缺口处存在损坏的风险。轴套的损坏主要影响截割臂的伸缩功能，使得其无法再巷道中正常运行甚至卡死，掘进机也无法工作。增加煤矿开采的成本，严重时甚至会威胁工作人员的生命安全。

3 改进设计

3.1 改进方案

根据分析可知最容易出现损坏的地方是轴套的缺口处，为了保证其工作过程中的稳定性，应当进行结构的优化。分析应力集中的原因、改进后的工作性能以及可行性，决定将截割臂轴套缺口减小2 mm 进行结构优化，这样的改进措施改进难度较小、加工成本较低、能够满足改进的需求，是一个可行的方案[2]。

3.2 改进结果

对于模型进行结构改进后重新导入ANSYS 有限元仿真计算软件之中，为了保证结果的真实性，参数设置和对照组保持一致，使得对比结果更加的真实可靠。进行轴套静强度分析，得出Von-Mises 等效应力分布图，如图2 所示。根据结果不难发现，改进后虽然仍有应力集中现象出现，但是最大应力值降降低了，此时的安全系数为2.4，能够满足实际工作需求以及载荷的突变情况。

图2 改进轴套应力分布云图

分析改进轴套的等效位移分布云图，如图3 所示，以空间坐标系为基础，改进后的轴套位移值如图3 所示，二者的差值为0.9 mm。由此可知，改进后的轴套工作过程中位移变化范围较小，刚度较好，符合实际需求，改进的效果十分显著，不仅保证了强度、刚度的要求，也适应了实际的工作环境。

图3 改进后的轴套位移分布云图

4 应用效果分析

为了验证仿真结果的准确性以及优化方式的可行性，将优化后的轴套画出工程图联系厂家进行加工，将加工好的零件放入该型号的截割机中进行使用。将使用效果和安装有原油轴套的截割臂进行对比。根据对比结果不难发现，改进后的轴套显著提高了截割臂的使用寿命以及工作稳定性。通过数据分析可知，优化后的结构磨损量减小10%左右，轴套寿命提升10%左右，并且工作过程中因为载荷的突变导致故障的情况显著减少，进一步提升了掘进机的工作效率。