白晓栋

（晋能控股煤业集团永定庄煤业公司机掘三队， 山西 大同 037000）

引言

掘进机是煤矿开采中非常重要的机电装备，截割部是掘进机中的重要组成部分，而伸缩臂是截割部中重要的承力结构件。煤矿开采环境复杂，掘进机运行时经常会承受较大的冲击载荷，导致设备发生明显的振动，进而影响伸缩臂运行的稳定性。伸缩臂中包含有轴套结构，工作时需要承受一定的应力载荷，且呈现出周期性的特点，所以容易出现缺陷问题。基于此，有必要对伸缩臂中的轴套结构的受力情况进行分析，并基于分析结果提出优化改进措施，以提升轴套结构的使用寿命，为整个截割部的稳定运行奠定坚实的基础。本文以EBH360 型悬臂式掘进机为例，对截割部伸缩臂中的轴套结构进行受力分析和优化改进，取得了良好的应用效果。

1 截割部伸缩臂概述

以EBH360 型悬臂式掘进机为研究对象。掘进机内部包含很多结构件和机电系统，其中截割部是掘进机中非常重要和关键的结构件，掘进机主要利用截割部对煤岩进行截割以获得煤块。截割部内部也包含有很多个结构件，比如截割头、截割电机、减速器、伸缩臂、盖板以及后连接座等。掘进机工作时需要利用回转平台对截割部的位置进行调整，截割部内部也设置有伸缩臂，作用是配合回转平台实现截割臂角度和位置的精确调整，以适应不同的工作环境，根据实际需要将截割头控制到指定的位置，工作过程中会承受周期性的较高的载荷。

如图1 所示为截割部伸缩臂的截面示意图。由图1 示意图可以看出，轴套的作用是实现不同零件之间的相对滑动，所以其在工作时会与其他零件之间发生挤压作用并产生很大的摩擦力，特别容易产生应力集中问题，导致轴套发生损伤破坏，缩短轴套结构件的使用寿命。

图1 截割部伸缩臂的截面示意图

2 伸缩臂的有限元模型

2.1 三维几何建模

利用Pro/E 软件建立伸缩臂的三维几何模型，对伸缩臂内的轴套结构进行受力分析。建模过程中对结构中很小的倒角、倒圆及螺纹孔等作简化处理，此举能在不影响最终计算结果的前提下提升建模效率、缩短模型计算时间。完成三维几何建模工作后，需要将其导出为.igs格式，以便导入ANSYS软件中进行后续建模。

2.2 有限元建模

在Ansys 软件中需要对几何模型进行有限元网格划分。考虑到本研究重点需要对轴套进行分析，所以采用非均匀化网格划分方式。对轴套结构采用较细小的网格，对其他结构件采用较粗大的网格，这样既确保获得较精确的结果，又缩短了模型计算时间。最终划分得到的网格单元和节点数量分别为23 249 和26 939 个。之后进行材料属性设置，轴套使用的材料为ZCuAl10Fe3，对应的杨氏模量和泊松比分别为103 GPa 和0.3，屈服强度和抗拉强度分别为180 MPa 和490 MPa；伸缩外筒和法兰的材料为ZG35CrMo，其弹性模量、泊松比和屈服强度分别为206 GPa、0.3 和510 MPa；后座板的材料为ZG270-500，弹性模量、泊松比和屈服强度分别为202 GPa、0.3 和270 MPa。在边界条件方面，将伸缩臂的整体质量设置为232.884 kN，回转力矩、进给力和横向力大小分别设置为149.48 kN·m、600 kN 和197.39 kN，让伸缩臂处于水平状态。如图2 所示为伸缩臂整体的有限元模型。

图2 伸缩臂整体的有限元模型

3 轴套的受力结果分析与讨论

3.1 受力结果分析

在ANSYS 软件中建立好掘进机截割部伸缩臂的有限元模型以后，即可对模型进行计算分析，然后提取计算结果。由于本研究只关注伸缩臂中轴套的受力情况，因此只提取了轴套的分析结果，如图3 所示为伸缩臂轴套的应力分布云图，描述的是轴套在工作过程中不同部位的受力情况。由图3 可知，轴套工作时不同部位的受力情况呈现出明显的不均匀性，绝大部分部位承受的作用力相对较小，均在50 MPa 以下。只有很小一部分区域出现了应力集中现象，且应力集中现象非常显著，出现应力集中的位置主要集中在缺口边角，应力集中的最大值为154 MPa。

图3 伸缩臂轴套的受力（Pa）结果

3.2 存在的问题探讨

一般情况下轴套的生产制作材料为ZcuAl10Fe3，此材料的屈服强度大小为180 MPa。根据金属结构件工作时的安全系数计算公式：

式中：n 为安全系数；σs和σ 分别为金属材料的屈服强度以及结构件工作时承受的最大应力值。基于此可以计算得到伸缩臂轴套在工作时的安全系数只有1.16。根据机械设计中的基本要求，对于轴套这种比较关键的零部件，安全系数通常需要在1.5 以上。实际安全系数相对偏小，再加上轴套工作时需要承受周期性的载荷，容易发生疲劳损伤，最终出现裂纹。综上，伸缩臂轴套工作时在缺口边角部位容易出现缺陷问题，影响伸缩臂整体运行的稳定性和可靠性。

4 轴套优化改进方案及效果分析

4.1 优化改进方案

基于以上分析可知伸缩臂轴套工作时缺口边角部位容易出现缺陷问题，需要对该位置的结构进行优化改进。缺口边角部位出现应力集中的原因在于此部位处于悬臂状态。可以结合实际情况取消轴套的开口设计，将其设计成一个完整圆形。

4.2 优化后的受力分析

根据优化改进后的轴套结构尺寸，再次利用ANSYS 软件建立伸缩臂整体的有限元模型，建模过程中所有其他的参数均与原模型完全相同。完成计算工作后可以提取得到轴套结构的受力分布结果。如图4 所示为优化改进后伸缩臂轴套的应力分布云图。由图4可知，轴套的应力分布整体上呈现出明显的不均匀性，只有局部位置出现了一定的应力集中现象，绝大部分位置的应力值相对较小，最大应力值出现在轴套边部位置，只有74.6 MPa。与优化改进前轴套的最大应力值相比较而言，降低幅度达到了51.56%。根据相关理论可以计算得到优化改进后轴套的安全系数值，结果为2.4，意味着轴套结构在正常工作时具有很高的安全系数，可以保障运行时的稳定性和可靠性。

图4 优化后轴套的受力（Pa）结果

将优化改进后的轴套结构部署到EBH360 型悬臂式掘进机工程实践中，经过长时间的现场测试，发现轴套结构能够稳定可靠运行，验证了优化改进方案的科学性与合理性。初步分析认为，通过对轴套结构的优化改进，能使结构件的使用寿命提升15%以上，为悬臂式掘进机的整体稳定运行奠定了良好的基础，取得了良好的经济效益。

5 结论

以EBH360 型悬臂式掘进机为对象，利用Pro/E和ANSYS 软件建立了伸缩臂的有限元模型，在对其受力情况进行分析的基础上对结构进行了优化。受力分析发现轴套结构在缺口边角部位出现了明显的应力集中现象，最大应力值达到了154 MPa。使得结构的安全系数只有1.16，低于行业规范要求的1.5 以上。基于此将轴套的开口设计修改成为封闭结构，再次进行分析发现结构的最大应力值降低到了74.6 MPa，降低幅度达到了51.56%，安全系数值提升到了2.4。将优化后的轴套结构部署到掘进机工程实践中，使得轴套结构的使用寿命提升了15%以上，为相关企业创造了良好的经济效益。