王雪峰

（河曲县应急管理局，山西 忻州 036500）

引言

煤矿开采过程中需要利用掘进机对巷道进行开凿，巷道开凿的效果和效率均会对煤矿开采效率产生一定程度影响[1]。随着煤矿领域技术水平的不断提升，对矿用掘进机的要求越来越高，目前掘进机正朝着智能化、高可靠性等方向发展[2]。截割部是掘进机中重要的机械结构之一，其运行的稳定性和可靠性会对掘进机整体性能产生重要影响[3]。掘进机工作时，截割部需要承受较大的工作载荷，且经常面临冲击性载荷，恶劣的工况条件是截割部容易出现故障问题的原因[4]。工程实践中截割部后座板容易出现故障问题，制约了掘进机运行效率的提升。基于此，本文基于有限元法对截割部后座板进行静力学分析，并提出优化改进方案，效果良好，对于提升掘进机的工作效率具有重要的实践意义。

1 掘进机截割臂概述

以煤矿中使用的EBH360型掘进机为对象进行研究，设备整体规格尺寸为12.86 m×2.9 m×2.23 m，可以截割的范围为5.95 m×8.7 m，整机质量为120 t，正常工作时最大行进速度为7.9 m/min，可以适应的最大巷道倾角为18°[5]。截割部是掘进机中的重要结构件，主要利用截割头对巷道围岩进行开凿截割，如图1所示为掘进机截割部的主要结构三维图。由图可知，截割部主要由截割头、减速机、连接法兰、伸缩臂、盖板以及后座板等部分构成。截割头的尺寸为Φ1.25 m×0.8 m，正常工作时旋转速度为23 r/min。后座板的主要作用是与回转平台进行连接，配合伸缩油缸实现截割部在上下方向上的移动。

2 后座板静力学模型的建立

2.1 三维几何模型

图1 掘进机截割部的主要结构三维图

由于Ansys软件的三维造型能力有限，所以建立有限元模型时，首先需要利用SolidWorks软件根据EBH360掘进机截割部后座板的实际结构尺寸建立三维几何模型，并通过中间格式.igs导入到Ansys软件中，进行后续模型的建立。三维建模时，为了提升模型的运算速度并确保最后收敛，需要对结构中的一些细小结构，比如倒角、倒圆、小孔等进行简化处理[6]。

2.2 有限元模型

在Ansys软件中需要对模型进行网格划分，划分质量同样会对模型计算过程和结果产生重要影响。Ansys软件中提供了多种类型的网格单元，本案例中选择的是四面体网格类型，并基于自动模式进行网格化，最终确定的单元数量和节点数量分别为9 324个和9 936个。

后座板的加工材料为ZG270-500，查阅材料手册可知，该材料的弹性模量和泊松比分别为202 GPa和0.3，屈服强度和抗拉强度分别为270 MPa和500 MPa，将以上材料参数输入到有限元模型中，确保模型计算结果的准确性。约束条件方面，考虑到后座板工作时通过销轴与回转平台进行连接，只会发生绕耳座轴线的旋转运动。因此将约束条件设置在耳朵部位，只能绕轴线方向作旋转运动。

3 后座板静力学分析结果

3.1 结果分析

在Ansys软件中完成模型的分析计算工作后，即可利用后处理模块对分析结果进行提取分析。考虑到本文主要是对结构的静力学进行分析，因此只提取了后主板结构的应力分布云图，结果如图2所示，图中不同颜色代表不同的应力分布情况。

从图2中可以明显看出，后座板结构工作时不同部位承受的应力呈现出明显的不均匀性，绝大部分部位的应力相对较小，最小值为124.5 MPa，达到了可以忽略不计的程度。应力最大值达到了260 MPa，出现最大应力值的部位为耳座部位，耳座的作用是通过销轴实现与回转平台之间的连接。耳座结构应力最大基本与现实情况吻合。

图2 后座板结构的应力（Pa）分布云图

3.2 存在的问题

EBH360型掘进机截割部后座板的生产加工材料为ZG270-500，此型号材料的屈服强度为270 MPa。虽然后座板最大应力值没有超过材料的屈服强度，但是已经非常接近。机械工程中结构安全系数n=σb/σmax，其中n为安全系数，σb和σmax分别为材料的屈服强度和实际承受的最大应力。根据上述安全系数的基本概念，可以计算得到后座板结构的安全系数值为1.04。工程实践中为了保障机械结构运行的可靠性，通常要求安全系数超过1.5。可见，截割部后座板的安全系数没有达到机械工程中相关的规范标准。再加上后座板工作时承受的是周期性的工作载荷，偶尔还会承受冲击载荷，所以出现应力集中的耳座部位容易出现故障问题。

4 后座板结构优化改进研究

4.1 优化思路

基于上文分析可以看出，后座板最大应力集中部位出现在了与回转平台连接的耳座部位，所以需要对耳座结构进行优化改进。后座板运行时通过耳座实现力的传递，耳座部位受力面积过小是导致出现应力集中现象的重要原因。可以采取措施适当增加耳座部位的受力面积。具体而言，采取优化改进措施是在耳朵孔洞部位增加凸台，以增加圆孔部位面积，从而增加耳座与销轴的接触面积。确保在总受力不变的情况下降低应力。如图3所示为后座板结构优化改进方案示意图。

图3 后座板结构优化改进方案示意图

4.2 优化结果分析

针对优化改进后的方案，再次利用Ansys软件建立有限元模型并进行静力学分析。有限元模型中除耳座结构尺寸不同外，其他结构尺寸、材料和边界条件设置完全相同。结果发现，优化后的后座板结构应力分布云图的基本规律与优化前基本类似，整体的受力呈现出明显的不均匀性，绝大部分位置的应力较小，耳座结构同样出现了应力集中现象，但应力集中最大值降低到了175 MPa。如图4所示为后座板结构优化前后最大应力值对比情况。

图4 后座板结构优化前后最大应力值对比情况

由图4可知，优化后的后座板最大应力值与优化前相比较降低了85 MPa，降低幅度达到了32.69%，取得了很好的效果。更重要的是，优化后的后座板结构安全系数值提升到了1.54，达到了机械工程中的基本标准要求，能更好地保障后座板结构运行过程的可靠性和安全性。

4.3 应用效果分析

为了验证上文所述结构优化方案的合理性，将此方案部署到EBH360掘进机工程实践中。经现场调试发现优化的结构件能够稳定可靠运行，目前已经在工程实践中连续运行1年。经现场技术人员反馈，通过对后座板结构的优化改进，使结构件的故障率降低了20%以上，极大提升了掘进机运行过程中稳定性和可靠性，为煤矿开采效率的提升奠定了坚实基础，为企业创造了一定的经济效益。

5 结语

以EBH360掘进机的后座板结构为研究对象，利用Ansys软件对静力学进行分析，在此基础上对结构进行优化改进。所得结论主要有：静力学分析结果表明，后座板耳座部位出现了明显的应力集中现象，最大应力值达到了260 MPa，对应的安全系数只有1.04；针对耳座部位设置凸台结构，以增加耳座与销轴的接触面积，从而降低应力集中现象；将优化后的结构再次利用ANSYS软件建立有限元模型进行静力学分析，发现本次结构优化取得很好的效果，最大应力值降低到了175 MPa，对应的安全系数提升到了1.54，满足机械工程中的基本要求；将优化后的结构部署到掘进机工程实践中，使后座板结构的故障率降低了20%以上，为掘进机的可靠运行奠定了良好的基础。