基于ANSYS 对矿用掘进机关键部件有限元分析

王和兵

（潞安化工集团余吾煤业有限责任公司， 山西 长治 046100）

引言

煤层具有煤层薄、埋藏深、硬度大等特点，相关特点促使煤层的实际工作条件相对恶劣，对煤矿开采设备的组装、应用、维护检修均提出较高的实际要求，使用传统煤矿开采设备进行煤层开采不仅易出现设备故障问题，还会增加回采和环境治理成本[1-2]。为应对煤层较为恶劣开采环境所设计的煤层掘进机在当前煤矿开采中也有着一定应用，但由于相关技术设备发展起步时间相对较晚，即便是经过多年发展也存在一定技术缺陷。因此，为能够改进煤层掘进机的整机性能，本文将对煤层掘进机关键部件进行有限元分析，并提出设计优化方案，其对于煤层掘进机后续优化发展将有着一定的理论参考价值。

1 EBZ160B煤层掘进机的特点

EBZ160B 煤层掘进机作为一款专门针对煤层采掘所研发的一种重型纵轴式大功能悬臂式掘进机，其可适用于任意断面形状的煤层巷道及工程隧道综采工作。相较于传统大功率掘进机，EBZ160B 煤层掘进机具有以下特点[3]。

1）在 1.5 m 煤层条件下，EBZ160B 煤层掘进机可减少断面掘进量和破岩量分别为20%和57%，可有效提高出煤质量，降低掘进开采成本。

2）EBZ160B 煤层掘进机应用我国研发的煤矿井下遥控控制技术，可实现远程整机遥控，并且操作中对操作手视线干扰更小，更适用于煤层环境下的远程操控要求。

3）相较于传统大功能掘进机，EBZ160B 煤层掘进机的整机高度更低，并且在一定程度上保障传动稳定性和可靠性。同时，可减小开采冲击，提高切割部可靠性。

4）EBZ160B 煤层掘进机结构更为紧凑合理，适用于煤层巷道的实际要求。

5）EBZ160B 煤层掘进机采用全封闭有效和气动加油装置，可有效保障液压系统清洁性，提高液压系统使用寿命和使用可靠性，改善井下工作环境，降低设备维护检修需求。

2 煤层掘进机动力性能建模

2.1 升降切割

EBZ160B 煤层掘进机切割部主要由切割头、工作臂、切割电机以及切割减速箱等部分共同组成，在实际升降切割过程中，掘进机切割部处于水平位置处的工作状态如图1 所示。

图1 掘进机切割部处于水平位置处的工作状态（单位：mm）

2.2 回转切割

EBZ160B 煤层掘进机的切割部固定在掘进机的回转台上，并有对称布置的水平回转油缸进行回转推动。当掘进机切割部回转到初始位置时，实际工作状态如图2 所示。

图2 掘进机切割部回转到初始状态时的工作状态（单位：mm）

2.3 爬坡行走

在EBZ160B 煤层掘进机爬坡新周期，其履带两侧的液压马达会在减速机减速后驱动转轮转动，并通过传动初始履带梁上侧的履带板和履带梁前移，而履带梁下侧履带板则保持不动，在反作用力的推进下，掘进机借助摩擦力开始不断爬坡行进。

2.4 整机支撑

EBZ160B 煤层掘进机在整机组装完成后，还需要通过铲板油缸、后支撑油缸先后支撑起掘进机，进而促使掘进机以整机离地的方式进行履带悬垂度检测。通过三维仿真模拟软件进行煤层掘进机履带悬垂度检测过程模型构建。

结合实际情况来看，实际履带悬垂度检测中主要采用两种方法进行整机支撑，其一为先伸出铲板支撑掘进机前部，然后通过后支撑支撑起后部；其二为通过后支撑支撑起后部，再通过铲板支撑起前部[5]。

3 基于ANSYS 的煤层掘进机关键部件有限元分析

3.1 切割电机

EBZ160B 煤层掘进机切割电机装配模式有限元模型如图3 所示，为保障分析效率及精度，将切割电机分为651 668 个单元和1 025 023 个节点。基于图3开展有限元分析。

图3 切割电机装配模式有限元模型

通过有限元分析可知，切割电机装配模式最大应力点位于切割电机前端筋板弧段区域，最大应力值为428.43 MPa；最大位移点位于切割电机前端减速箱臂体上，最大位移值为8.242 mm。

3.2 板铲

EBZ160B 煤层掘进机板铲装配模式有限元模型如图4 所示，为保障分析效率及精度，将板铲分为66 779 个单元和115 673 个节点。基于图4 开展有限元分析，由于实际分析过程与切割电机有限元分析过程大致相同，以下将直接给出分析结果，后续关键部件有限元分析也同样如此。

图4 板铲装配模式有限元模型

通过有限元分析可知，板铲装配模式最大应力点位于板铲尾部连接孔内侧，最大应力值为313.2 MPa；最大位移点位于铲板左右侧铲板两侧，最大位移值为0.098 5 mm。

3.3 主机架和回转台

EBZ160B 煤层掘进机主机架和回转台装配模式有限元模型如图5 所示，为保障分析效率及精度，将主机架和回转台分为467 264 个单元和740 832 个节点。基于图5 开展有限元分析。

图5 主机架和回转台装配模式有限元模型

通过有限元分析可知，主机架和回转台装配模式最大应力点位于回转台前端下侧位置，最大应力值为225.57 MPa；最大位移点位于回转台最前端区域，最大位移值为0.632 mm。

3.4 履带梁

EBZ160B 煤层掘进机履带梁装配模式有限元模型如图6 所示，为保障分析效率及精度，将履带梁分为82 009 个单元和138 935 个节点。基于图6 开展有限元分析。

图6 履带梁装配模式有限元模型

通过有限元分析可知，履带梁装配模式最大应力点位于履带梁上行走减速机上侧位置，最大应力值为469.35 MPa；最大位移点位于履带梁上驱动轮上侧位置，最大位移值为1.314 mm。

3.5 后架

EBZ160B 煤层掘进机后架装配模式有限元模型如图7 所示，为保障分析效率及精度，将后架分为136 305 个单元和223 194 个节点。基于图7 开展有限元分析。

图7 后架装配模式有限元模型

通过有限元分析可知，后架装配模式最大应力点位于后架两侧支架前端位置，最大应力值为266.35 MPa；最大位移点位置与最大应力点位置保持一致，也处于后架两侧支架前端位置，最大位移值为0.656 mm。

4 煤层掘进机关键部件优化及实践应用

通过有限元分析可知，EBZ160B 煤层掘进机各项参数虽然均符合标准要求，但其中切割电机的位移量相对较大，所以需要对其进行适当优化改进，其他关键部件虽然不需要进行较大优化，但也需要实施多次修改和多次分析，最终确保掘进机各部件以及整机结构更为合理可靠。为确认优化后的掘进机整体性能，将优化后掘进机应用于工程实践，最终发现优化后的煤层掘进机各关键部件性能和整机性能均得到进一步提升，可进一步保障生产安全性和生产效率，所以可以在后续煤层掘进机关键部件优化中进行参考使用。

5 结语

通过有限元模型分析发现，EBZ160B 煤层掘进机各关键部件性能均符合标准要求，但为保障整机结构及性能，仍然需要进行多次优化及分析，进而保证设计方案更为科学合理，提高整机性能的同时，保障EBZ160B 煤层掘进机具体应用时的安全性和使用寿命，综合提高生产经济效益。