矿用悬臂式掘进机截割臂外筒的静力分析及结构优化研究.pdf

2023.7 矿业装备/1670 引言煤矿巷道掘进过程中经常需要使用悬臂式掘进机，随着煤矿开采不断向着纵深方向发展，煤矿环境变得日益恶劣，截割机构作为掘进机的重要工作部件，工作时容易受到冲击载荷，出现较大的振动，影响设备的运行稳定性1。随着煤矿领域技术水平和煤矿开采效率的不断提升，对悬臂式掘进机的综合性能提出了更高的要求，要求设备具备更高的运行可靠性和稳定性2。目前许多常见的悬臂式掘进机结构采用传统方法设计，无法适应复杂的工况环境，使得部分机械结构运行时容易出现应力集中现象，进而引发故障问题3。基于先进的有限元技术，对机械结构进行优化改进，是提升结构运行可靠性的重要措施4。本文以 EBH360 悬臂式掘进机截割臂的外筒结构为研究对象，利用有限元软件结合掘进机的实际结构尺寸建立模型并开展理论分析，在此基础上实现掘进机外筒结构的优化改进，通过实践应用发现达到了预期效果。1 悬臂式掘进机及截割臂外筒概述以 EBH360 悬臂式掘进机为对象进行分析，此型号装备整体结构尺寸为 12.86m2.9m2.23m，可以进行定位切割的范围为 8.7m5.95m，卧底深度为 360mm，可以适应的巷道坡度为 18，正常工作时的行走速度和调车时的行走速度分别为 07.9m/min 和 012.6m/min。悬臂式掘进机是一个非常复杂的机械装备，包含很多结构部件，各种部件发挥对应的作用从而实现掘进机的各项功能，其中截割臂是重要的工作部件，具体工作时需要通过截割头对煤壁进行截割，实现巷道掘进过程。如图 1 所示为悬臂式掘进机截割臂的整体结构示意图，就机械结构而言，截割臂是一个比较复杂的机械结构，包含很多机械装置，具体见图 1。利用截割头对煤壁进行截割时，两者之间会发生剧烈的力的相互作用。力通过机械结构传递到截割臂各个结构件中。所以很多结构件包括外筒结构，均会承受较大的载荷，且通常为冲击性载荷，对结构的机械性能提出了非常高的要求5。2 截割臂外筒的静力学模型2.1 三维模型建立利用 Ansys 软件对截割臂外筒结构进行静力学分析，但是 Ansys 软件的三维造型能力有限，所以需要借矿用悬臂式掘进机截割臂外筒的静力分析及结构优化研究和科研（山西焦煤霍州煤电集团庞庞塔煤矿，山西吕梁 033200）摘要：悬臂式掘进机是煤矿巷道施工中重要的机械装备，以 EBH360 型掘进机截割臂外筒结构为研究对象，基于Pro/E 和 Ansys 软件建立了静力学模型，经分析发现存在应力集中现象，最大应力达到 457MPa，使得结构件的安全系数只有 1.12。基于静力学分析结果对外筒结构进行优化改进，主要是增加设置加强筋、增加过渡区域圆角半径等。优化后的外筒结构最大应力降低到 243.03MPa，降低幅度达到 46.82%。将优化后的外筒应用到 EBH360 型掘进机工程实践中，经15 个月时间的实践，发现外筒的使用寿命提升 20%以上，效果显著。关键词：悬臂式掘进机；截割臂；外筒；结构优化；静力学分析图1 悬臂式掘进机截割臂整体结构示意图168/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备助外部工程软件建立三维几何模型。本案例使用的软件为 Pro/E，建模时严格按照 EBH360 型掘进机的外筒结构尺寸绘制图像。需要说明的是，考虑到一些细小结构尺寸可能会对计算过程和最终结果产生不良影响，因此对局部细小结构作忽略处理。已有的实践经验表明，这种忽略简化并不会影响模型计算结果精度6。2.2 有限元模型构建在 Pro/E 工程软件中完成模型建立后，需要将其导入到 ANSYS 软件中继续进行有限元模型的建立，具体操作时通过“.igs”中间格式进行模型传导。在 ANSYS 软件中需要完成材料属性设置和网格划分两项重要工作。在网格划分方面，有限元软件中有多种类型网格可供选择，不同网格适用于不同的场景，会对模型计算过程和结果精度产生直接影响。通过查阅文献，本案例选用的网格类型为 6 面体网格。网格尺寸由软件综合考虑模型计算时间和结果精度自动化确定，最终获得的模型其网格单元数量为 23343个，对应的节点数量为 36994 个。结合实际情况，发现掘进机截割臂外筒结构使用的工程材料为 ZG35CrMo，该材料的弹性模量为 206GPa，泊松比为 0.28，另外通过查阅资料发现材料的屈服强度和抗拉强度依次为 510MPa和 740MPa，将以上基础材料属性参数录入有限元模型中以便得到精确结果。3 截割臂外筒静力学分析结果3.1 结果分析在 ANSYS 软件中完成模型的分析计算工作后，可以提取想要的结果进行分析，本文主要关注外筒结构的静力学分析结果，如图 2 所示为悬臂式掘进机截割臂外筒结构的静力学分析结果，描述的是外筒结构工作时的应力情况。图中可以明显看出，外筒结构的应力分布非常不均匀，大部分位置的应力非常小，只有局部位置出现了应力集中现象，其中最大电力达到了 457MPa，出现应力集中的位置主要表现在过渡区域以及升降油缸耳环部位。3.2 存在的问题截割臂外筒结构使用的工程材料其屈服强度为510MPa，通过上文的静力学分析结果可知，外筒的最大应力达到 457MPa。在一般的机械设计领域，为了保证结构件的运行安全，不仅要求结构的最大应力低于材料曲服强度，还要求具备一定的安全系数，通常将其设置为1.5。安全系统如公式（1）：=s/max（1）式中，表示安全系数，s和max分别表示材料的屈服强度和实际工作时承受的最大应力。外筒结构的最大应力和屈服强度分别为 457MPa 和 510MPa，可以计算得到其安全系数只有 1.12。可见，外筒结构的安全系数相对较低，工作时存在一定的安全隐患，容易出现故障问题。4 截割臂外筒结构优化研究4.1 优化改进方案基于有限元方法对截割臂外筒结构进行有限元分析，发现外筒的受力非常不均匀，存在应力集中现象，局部区域的应力为 457MPa，不利于外筒结构的稳定可靠运行，时间长久后必然会出现塑性损伤，影响结构的运行稳定性。因此，非常有必要对外筒结构进行优化改进，以提升结构受力的均匀性，降低应力集中现象。机械结构件出现应力集中问题的原因可归结为两类：第一，局部位置的结构强度和刚度不够，受力时这些部位容易出现应力较大的问题。第二，结构方面存在突变，突变位置容易产生应力集中问题。基于以上原因并结合外筒应力集中的位置特点，设计了结构优化方案，具体如下：第一，增加应力较大位置的过渡圆角，统一设置为原尺寸的两倍，尤其是升降油缸耳环处的过度圆角和方孔部位的圆角。第二，增加上、下两侧升降油缸耳环部位加强筋之间的距离，更好发挥加强筋的支撑效果。第三，在升降油缸侧边位置分别增加两根加强筋。如图 3 所示为截割臂外筒结构优化前后的对比情况。图2 截割臂外筒结构的静力学分析结果2023.7 矿业装备/1694.2 结构优化结果分析完成截割臂外筒结构的优化工作后，根据最新的结构尺寸再次建立静力学有限元模型并进行分析，以便对其可靠性进行验证。需要说明的是，为了保证两次结果的对比性，所述有限元模型除几何结构存在差异外，其他模型参数全部相同。如图 4 所示为结构优化改进后外筒的静力学分析结果。由图 4 可知，外筒结构的受力仍然呈现出明显的不均匀性，这是由外筒结构本身所受外力不均匀决定的。局部位置出现了应力集中现象，主要表现在升降油缸侧边加强筋区域和部分圆角部位。由于外筒结构受到的外力不均匀，所以应力集中现象是不可避免的，虽然存在此现象，但与优化前的情况相比较有了极大改善，最大应力只有 243.03MPa，与优化改进前的 457MPa 相比较，降低幅度达到了 46.82%。最大应力降低意味着结构不容易出现塑性损伤，可显著延长结构的使用寿命。4.3 实践应用分析为了验证优化改进方案的可行性，根据上文提出的截割臂外筒结构优化改进方案，加工获得了外筒结构，并将其应用到 EBH360 悬臂式掘进机工程实践中。截至目前，优化后的外筒结构累计服役时间达 15 个月，为了更好地反映外筒结构的运行效果，对服役期间的运行情况进行了详细观察。结果发现，截割臂的外筒结构具有非常好的运行稳定性，没有发现故障问题。根据专家和技术人员的初步估计，认为优化后的外筒结构具有更好的运行稳定性，其使用寿命在原有基础上提升幅度在 20%以上，更长使用寿命可为掘进机设备的可靠运行提供更大保障。5 结束语以煤矿用 EBH360 悬臂式掘进机截割臂外筒为研究对象，利用三维造型和有限元工程软件建立外筒结构的受力模型并进行分析，同时对结构开展优化设计工作。本文的结论主要如下：第一，外筒结构受到的应力非常不均匀，局部位置应力为 457MPa，通过计算发现其安全系数为 1.12，存在一定的安全隐患。第二，根据应力集中产生的原因和最大应力出现的具体位置，对外筒结构进行优化改进，主要是增加过渡区域的圆角半径、增加设置加强筋等。第三，对外筒结构优化后的情况再次建立模型并进行受力分析，使得结构的最大应力由原来的457MPa 降低至 243.03MPa，降低程度为 46.82%，安全系数大幅度提升。通过工程实践应用发现外筒结构使用寿命延长 20%以上。参考文献1 宋庆民,袁小浩,刘权.悬臂式掘进机智能化控制系统研究J.陕西煤炭,2022,41(6):87-90.2 李杰,丰栗谦,石岩.煤巷悬臂式掘进机快速截割工艺探讨J.江西煤炭科技,2021(2):74-75.3 崔进红.煤巷施工工艺与综掘结构优化方案 J.矿业装备,2019(5):48-49.4 杨霞,胡媛媛,张迪,等.矿用矮机身悬臂式掘进机的设计J.煤矿机电,2016(2):73-74.5 林杭.采煤机和掘进机的截齿失效原因及改进措施 J.河南科技,2020,39(35):74-76.6 王兵胜.煤矿掘进机截割头转速优化探析 J.机电工程技术,2020,49(7):246-248.图4 结构优化后外筒的静力学分析结果图3 截割臂外筒结构优化前后的对比情况b 优化后结构a 优化前结构