煤矿悬臂式掘进机关键结构的力学特性研究

刘芳忠

（冀中能源股份公司东庞矿，河北 邢台 054201）

1 煤矿悬臂式掘进机工作原理

煤矿悬臂式掘进机是一个复杂的液压系统、电气系统和机械系统的集成，具有零件复杂、构件众多等特点。如图1所示，EBZ160 型煤矿悬臂式掘进机的关键结构包括截割头、截割臂、回转台、升降油缸、回转油缸、回转支撑和本体架。截割头的主要作用是对煤层进行削切、破落和破碎；截割臂是支撑截割头的主要构件，并在截割电机的驱动下实现截割主轴和截割头的旋转和扭矩，其制造材料为ZG270-500，密度为7830kg/m3，质量为877kg，弹性模量为2.11×105MPa，泊松比为0.311，屈服强度为248MPa；回转台是推拉油缸式，它将截割部与本体架进行连接并实现截割部的左右回转，其制造材料为35CrMo，密度为7870kg/m3，质量为7144kg，弹性模量为2.13×105MPa，泊松比为0.286，屈服强度为835MPa；升降油缸是截割部上下摆动的动力来源，可以实现截割部的升降，最大行程可达到600mm，其制造材料为45CrMo，密度为7890kg/m3，质量为260kg，弹性模量为2.09×105MPa，泊松比为0.269，屈服强度为355MPa；回转油缸是截割部左右摆动的动力来源，左右行程最大可以达到650mm，其制造材料为45CrMo，密度为7890kg/m3，质量为260kg，弹性模量为2.09×105MPa，泊松比为0.269，屈服强度为355MPa；回转支撑是连接回转台和本体架的中间构件，可以确保回转台与本体架的相对位移，其制造材料为42CrMo，密度为7850kg/m3，质量为455kg，弹性模量为2.12×105MPa，泊松比为0.280，屈服强度为930MPa[1]；本体架的制造材料为Q235-A，密度为7860kg/m3，质量为4857kg，弹性模量为2.12×105MPa，泊松比为0.288，屈服强度为235MPa[2-4]。

图1 煤矿悬臂式掘进机关键结构组装图和爆炸图

2 煤矿悬臂式掘进机关键结构静力学特性仿真结果分析

为了研究煤矿悬臂式掘进关键结构在工作状态下的受力特征，基于有限元分析软件ANSYS 的Workbench 模块建立悬臂式掘进关键结构的三维模型，如图1 所示。计算时，各个构件的网格划分采用软件内嵌的网格类型进行划分，零件间的接触采用Hertz 接触理论，按软件内部设定的柔性-柔性接触计算方式模拟回转台销轴的接触，按最小势能原理约束整体的接触边界。由于煤炭开采时的荷载十分复杂，随机性大，因此需要基于概率性的蒙特卡洛法生成驱动油缸的荷载，以模拟煤矿悬臂式掘进机的自适应工作状态，其随机生成的过程为先确定载荷数据的分布规律，提取分布参数，随后输入需要模拟的数据个数n，产生n个符合相应分布的随机数[5]。为真实反映截割头、回转油箱、升降油箱的实际载荷，按照截割头的极限行程进行驱动油缸荷载生产，极限行程的大小表示截割头从左极限位置摆动到右极限位置，相应地，截割臂也会跟着截割头的摆动产生伸长和缩短，其水平角从-28°切换到+28°。

基于蒙特卡洛法随机生成的驱动油缸荷载见表1。从表1 可以看出，左回转油缸的拉动荷载和推动荷载的变化为6.1MPa~22.MPa 不等，而升降油缸推动荷载的变化为6.25MPa~12.37MPa。

表1 基于蒙特卡洛法生成的驱动油缸荷载

工作时，煤矿悬臂式掘进机的截割头在截割电机的驱动下呈现旋转、摆动的运动轨迹，截割头、左右回转油缸、升降油缸产生负荷，截割头运动到不同位置时，各个关键结构构件的最不利工程有所不同。因此进行数值模拟计算时需要考虑煤矿悬臂式掘进机工作的3 种最不利工况，分别是工况A——左右回转油缸行程一致，截割臂保持水平；工况B——截割头摆动到最下位置，左回转油缸行程达到极限值（655mm），而截割臂的仰角为-26°（负值表示向下）；工况C——截割头摆动到最上位置，左回转油缸的形成为零，右回转油缸的行程达到极限值（655mm），截割臂的仰角为+44°（正值表示向上）。

3 种不同工况条件下悬臂式掘进机关键结构的最大应力仿真计算结果如表2 和图2 所示。从图2 可以看出，工况A 和工况C 的悬臂式掘进机关键结构最大应力呈现大致相同的变化规律，工况B 的悬臂式掘进机关键结构最大应力略有不同。在工况A 和工况C 条件下，回转台销轴的最大应力出现在1#销轴，分别为159.19MPa、191.73MPa，其余销轴的最大应力大致相同，左右回转油缸和升降油缸的最大应力大致相同，工况A 左右回转油缸和升降油缸的最大应力为112.23MPa~128.37MPa，工况C 左右回转油缸和升降油缸的最大应力为137.04MPa~145.27MPa。在工况B 条件下，回转台销轴的最大应力极值出现在2#销轴、5#销轴和7#销轴，分别为138.71MPa、142.17MPa 和134.35MPa，其余销轴的最大应力大致相同，左回转、右回转油缸和升降油缸的最大应力依次增大。回转台的最大应力按工况A、工况B 和工况C 的顺序依次增大。

图2 基于蒙特卡洛法生成的驱动油缸荷载时程曲线

表2 3 种不同工况下悬臂式掘进机关键结构的最大应力仿真计算结果

3 煤矿悬臂式掘进机关键结构动力学特性仿真结果分析

煤矿悬臂式掘进机关键结构的动力学特性仿真分析过程为确定模型自由度和主动件，选取广义坐标，通过运动分析确定广义速度，随后求解各个构件的动力学参数（动能、势能、驱动力、速度以及加速度等），最后根据虚功原理确定广义力，代入拉格朗日方程得到关键结构运动微分方程[6]。数值计算采用有限元分析软件ANSYS 的Mechanial Dynamics 模块，计算设定为2 种动力学工况，分别是非冗余驱动和冗余驱动。

非冗余驱动和冗余驱动条件下回转油缸和升降油缸的驱动力仿真计算结果如图3、图4 和表3 所示。从图4 可以看出，在非冗余驱动下，添加驱动力的左回旋油缸和左升降油缸呈随动状态，在400s 内呈规律性的波动，左回旋油缸和左升降油缸驱动力有2 个周期性的稳定波动状态，其驱动力波动范围分为别为225kN~556kN、-600kN~215kN，左升降油缸动力也有2 个稳定的波动状态，但其波动范围进一步缩小，驱动力波动范围分为别为450kN~556kN、-200kN~0kN。未添加驱动力的随动油缸（右回转、右升降油缸）驱动力均为零。从图5 可以看出，在冗余驱动下，左回旋油缸驱动力和右升降油缸驱动力均呈随动状态，在400s 内呈规律性的波动且左回旋油缸驱动力曲线与右升降油缸驱动力曲线相互间呈镜像关系。

图3 不同工况下悬臂式掘进机关键结构的最大应力曲线

图4 非冗余驱动条件下回转油缸和升降油缸的驱动力变化曲线

图5 冗余驱动条件下回转油缸和升降油缸的驱动力变化曲线

表3 非冗余驱动和冗余驱动条件下回转油缸和升降油缸的驱动力仿真计算结果

4 结论

该文以EBZ160 型煤矿悬臂式掘进机为研究对象，采用数值模拟的手段建立三维分析模型，研究3 种最不利工况下悬臂式掘进机关键结构的静力学特性，分析非冗余驱动和冗余驱动下悬臂式掘进机关键结构的动力学特性，得出以下几个结论：1）工况A 和工况C 的悬臂式掘进机关键结构最大应力呈现出大致相同的变化规律，工况B 的悬臂式掘进机关键结构最大应力略有不同，在工况A 和工况C 条件下，回转台销轴的最大应力出现在1#销轴。在工况B 条件下，回转台销轴的最大应力极值出现在2#销轴、5#销轴和7#销轴，回转台的最大应力按工况A、工况B 和工况C 的顺序依次增大。2）在非冗余驱动下，添加驱动力的左回旋油缸和左升降油缸呈随动状态，在400s内呈规律性的波动，回旋油缸驱动力有2 个周期性的稳定波动状态。在冗余驱动下，左回旋油缸驱动力和右升降油缸驱动力均呈随动状态，在400s 内呈规律性的波动且左回旋油缸驱动力曲线与右升降油缸驱动力曲线相互间呈镜像关系。