韩 将

（晋能控股煤业集团晋华宫矿，山西 大同 037000）

引言

煤炭资源是我国主要的能源之一，推动着我国经济及技术的快速发展。为提高对煤矿的开采量及效率，各类煤矿开采设备被广泛应用于煤矿领域。矿用掘进机作为煤矿开采中的关键设备，保证其设备的整体结构具有较高的结构性能至关重要，而EBZ260型掘进机则是煤矿中应用较为普遍的设备[1]。由于井下环境的恶劣性，煤矿开采中经常会遇到不同硬度的煤层硬度，加上外界会有落煤冲击掘进机，导致掘进机中的切割部结构在使用中极易出现结构变形、结构局部开裂及断裂现象。一旦切割部出现了失效现象，将导致整个掘进机处于停机状态，加上单个井下开采作业属于一条产业链结构，这将使得整个井下的煤矿开采出现瘫痪现象，这将严重影响着煤矿的开采量及效率[2]。掌握掘进机中切割部在使用过程中的薄弱部位，提高其结构性能显示十分必要。为此，在分析EBZ260掘进机结构特点基础上，利用ABAQUS 软件开展了掘进机中切割部的结构性能研究，并提出了切割部的结构改进措施，这对提高掘进机的作业效率及安全性具有重要意义。

1 掘进机结构特点分析

掘进机作为煤矿开采中的重要设备，根据掘进机的布局方式不同，可将其分为横轴式和纵轴式类型，根据巷道中单轴的抗压强度的不同，可将其分为半煤岩和硬岩型掘进机，但其结构组成基本相同[3]。EBZ260型掘进机结构主要由切割部、行走部、主体、回转台、截割头、装运部、后支撑部、水路系统、液压系统、电控系统等几大部分组成。与传统的掘进机相比，该型号掘进机的最大高度不超过1.5 m，其机身相对较矮，能实现对井下1.8 m的巷道条件的煤矿掘进作业，有效提高了出煤质量及掘进效率[4]。

切割部作为该型号中的关键部件，其结构质量达到了6.5 t，升降油缸的工作压力最大在22 MPa 范围内，升降油缸直径在180 mm 范围内，工作行程可达到450 mm，主要负责对工作面中的破落煤岩作用，其内部结构包括了切割头、切割臂、减速机、工作臂等部件，具有单刀工作力大，切割稳定性好等特点[5]，主要利用160 kW的切割电机和二级行星传动方式进行切割。但由于井下环境的恶劣性，导致切割部在使用过程中出现了局部区域变形、局部开裂及断裂等失效现象，整体结构强度存在一定的薄弱区域。因此，掌握切割部的受力变化规律，找到其结构的薄弱部位，有针对性地开展结构优化改进设计显得十分必要。

2 掘进机切割部模型建立

2.1 三维模型

采用PROE 软件，对切割部进行了三维模型建立。在软件中，主要切割部中减速机轴承座、减速机臂、切割臂、液压油缸等部件进行了模型建立，并对模型中所涉及到的圆角、倒角、较小圆孔等非关键特征进行了模型简化，连接螺栓及销轴等进行了部件省略，仅保留了切割部上的关键结构及特征，以提高切割部的分析精度及速度，其三维模型如图1 所示。

图1 采煤机切割部三维模型

2.2 仿真模型

结合建立的切割部三维模型，将其保存为x-t 格式后，导入至ABAQUS 软件中，对其进行了仿真模型建立。由于切割部在实际使用中主要采用了Q345材料，故在软件中，将切割部的材料属性赋予了Q345 材料[6]，其材料的关键参数如表1 所示。同时，对切割部中各部件之间接触设置为无穿透式接触设置。根据切割部的结构尺寸，采用了实体单元模型，四面体网格类型，对其结构进行了网格划分，网格大小设置为15 mm，局部区域进行了网格加密，划分后的单元数量为652 456 个，如图2 所示。另外，对模型中减速器轴承座上施加了32 220 N·m 扭矩，并对切割臂质心处设置向下的65 kN的向下载荷，以模拟切割臂的实际受力情况。

表1 Q345 材料关键参数

图2 掘进机切割部网格划分图

3 采煤机切割部结构性能分析

3.1 切割部应力变化

结合前文分析，得到了切割部应力变化图，如图3 所示。由图可知，整个切割部整体结构出现了应力分布不均匀现象，部分区域出现了应力集中情况，最大应力主要集中在切割部的减速箱臂体及减速箱的轴承座靠中间区域，减速箱上的支撑座、前端套环、底部套环等区域也出现较为明显的应力集中现象，切割臂上其余区域的受力则相对较小。分析其原因：切割部在受到较大扭矩及向下载荷后，由于在其底部受到支撑作用，加上受弯矩作业，致使了整个结构上的较大应力分布区域较大，切割臂上的减速箱轴承座及臂体成为整个结构的薄弱部位，在受到超负荷作业时，则极容易使得整个结构出现结构失效现象，严重影响切割部的结构性能。因此，需对切割部进行结构优化改进。

图3 切割部受力状态下的应力变化图

3.2 切割部结构位移变化

结合所建立的切割部分析模型，得到了其结构的位移变化图，如图4 所示。由图可知，切割不整体结构出现了较为明显的结构变形现象，在切割部前端套环、中间安装盘、底部套环及减速箱上的支撑座等区域均出现了较大程度的结构变形，沿着减速箱轴承座方向，切割部的变形量呈逐渐减少趋势，整个结构的变形趋势较为明显且均匀变化。分析其原因为：切割部前端由于受到煤层的较大冲击力作用，加上外部其他方向的载荷冲击及自身结构的受力特点，导致切割部整体结构出现了较为明显的结构变形现象。切割部减速箱上底部套环及支撑座在使用中极容易率先发生结构变形或失效现象，成为整个结构的薄弱部位，有必要对其进行结构加强设计。

图4 切割不使用过程中的结构变形图

4 切割部结构改进分析

结合前文分析，得出切割部上减速箱中的前端套环、支撑座及后端的轴承座均是整个结构的薄弱部位，在严峻作业条件下极容易率先发生结构失效现象。故有必要对其进行结构优化改进，具体如下：

1）提高切割部的材料属性。可将其材料设计为屈服强度更高的材料，如Q460 材料，可使其材料的屈服强度由345 MPa 提高至460 MPa，以提高其材料的结构强度及性能；

2）修改结构尺寸。在尺寸运行条件下，将前端套环厚度增加2 mm，支撑座结构加大，后端的轴承座直径加大，以从结构角度增加切割部的结构强度；

3）热处理工艺改进。在轴承座、支撑座及前端套环加工生产过程中，对其进行调质、淬火的热处理加工，以提高此些区域的结构强度，降低结构发生失效概率；

4）针对结构中出现的较大应力区域，在非受力部位开设直径2 mm的圆孔，使得结构上集中的大部分应力能转移至小孔处，保证整个结构的受力均匀性，减少结构上的应力集中现象；

5）定期对切割部在使用过程中的结构变形等失效情况进行观察分析，保证轴承座上的润滑效果，针对出现的失效问题，应及时进行故障排除，以提高切割部的结构强度，降低失效概率。

5 结论

1）切割部的后端轴承座、前端减速箱上支撑座出现了较大应力集中现象，是整个结构中的薄弱部位，极易出现结构失效现象；

2）切割部前端套环、减速箱上支撑座等等区域出现了较为明显的结构变形，是整个结构的薄弱部位，极易发生结构严重变形现象；

3）从材料属性、结构尺寸、热处理工艺、应力有针对性的开采切割部的结构改进优化，这对切割部的综合性能具有重要作用；

4）该研究对掌握切割部的结构变形规律，提高切割部的结构强度及使用寿命具有重要作用。