掘进机截割臂减速器连接法兰强度分析与改进

原权全

（华阳集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西 晋中 045405）

引言

掘进机是综采工作面内的关键设备。掘进机中服役条件极为苛刻的当属截割臂，既承受动力设备的驱动力作用[1-2]，又承受煤层截割反作用力，极易出现故障[3-4]。截割臂减速器连接法兰作为截割臂动力传输的关键部件，其可靠工作要求极高，也是最容易出现问题的结构，如耳环断裂破坏等[5-6]。因此针对某型号掘进机截割臂减速器连接法兰耳环出现断裂问题，借助有限元仿真分析软件，开展截割臂减速器连接法兰强度分析与优化设计工作。

1 掘进机工作原理及存在问题

某型号掘进机结构形式为横轴式，其结构包括截割机构、回转机构、装运机构和控制系统等。截割结构的主要任务是落煤，回转机构的主要任务是调整截割位姿状态，装运机构的主要任务是将截割下落的煤炭装载运出，控制系统的主要任务是实现整个煤炭截割工作的自动控制。截割机构还可以细分为截割头、工作臂、电机、减速器等，工作时电机输出的动力经减速器之后作为截割头的输入动力，驱动截割头实现煤炭掘进功能。掘进机长时间使用时出现了截割臂减速器连接法兰耳环断裂，表现为开焊开裂现象，影响掘进机的正常运行。

2 有限元仿真分析

2.1 三维模型建立

按照截割臂实际尺寸，运用Pro/E 三维建模软件完成了截割臂三维模型的建立工作。为了降低模型导入ANSYS 仿真计算软件时出现问题的概率，建模时，在不影响仿真分析结果的前提下，对模型结构进行了必要的简化处理。

2.2 材料属性设置和网格划分

截割臂仿真模型材料属性设置过程中除连接法兰之外的结构件全部设置为刚性，连接法兰所用材料牌号为ZG35CrMo，材料属性参数如下：弹性模量为206 GPa，泊松比为0.25～0.3，屈服强度为510 MPa，抗拉强度为740 MPa。完成材料属性设置之后启动自由划分网格功能，即可完成截割臂仿真模型网格划分工作。

2.3 约束设置和载荷施加

结合掘进机实际工作状况得出截割臂自身质量约为250 kg，计算得出掘进工作时截割臂所受的最大推进力为600 kN，工作时危险性最大。截割臂仿真分析时仅对其施加推力载荷，根据截割臂与掘进机实际连接情况进行截割臂的约束设置。

2.4 仿真结果

借助ANSYS 仿真计算软件完成截割臂减速器连接法兰仿真分析前处理工作，包括材料属性设置、网格划分、约束设置、载荷施加等，之后即可开启仿真软件内部求解器进行静力学仿真分析。计算结束选取截割臂减速器连接法兰Von Mises 等效应力分布云图，如图1 所示。

图1 截割臂减速器连接法兰等效应力（Pa）分布云图

由图1 所示的截割臂减速器连接法兰等效应力分布云图可以看出，工作过程中法兰所受的最大应力为486 MPa，位置处于法兰右侧耳环和减速器连接的位置，此处为焊接结构，存在明显的应力集中现象。截割臂减速器连接法兰所用的材料牌号为ZG35CrMo，其屈服强度数值为510 MPa，其工作最大应力486 MPa，虽然未超过屈服强度，但是十分接近，计算得出安全系数仅为1.05。因掘进机截割臂工作条件较为恶劣，工作过程中随着煤层厚度硬度等的变化，其承受的截割力变化范围较大，因截割臂减速器连接法兰的安全系数较低，一旦截割臂出现临时过载，极有可能导致法兰耳环断裂，使煤炭掘进工作面工作停滞甚至出现安全事故，给煤炭企业带来巨大的经济损失，有必要开展改进优化工作。

3 改进设计

3.1 改进方案

常用结构件应力集中问题的改进措施种类较多，如改进结构件的制备材料，提高结构件整体的强度；优化结构件的尺寸参数，充分发挥结构件的强度潜力；改进结构件的加工工艺，提高结构件的加工质量；改进结构件应力集中位置的尺寸，降低过渡截面突变程度。掘进机截割臂减速器连接法兰应力集中的改进方案需要考虑其实际工作情况、改进工作量大小、改进方案实施的难易程度等，综合以上因素，掘进机截割臂减速器连接法兰采用优化应力集中位置尺寸的方案进行改进。具体实施方案是在原来法兰结构的基础上将耳环与减速器连接位置的过渡圆角半径增大1 mm，实现连接位置的平滑过渡，以降低连接位置的应力集中。

3.2 改进结果

完成截割臂减速器连接法兰耳环和减速器连接位置过渡圆角改进之后修改法兰三维模型，再次导入ANSYS 仿真计算软件进行前处理，要求处理过程及参数设置与改进之前一致。启动仿真计算求解器，提取改进之后截割臂减速器连接法的等效应力分布云图，如图2 所示。由图2 可以得出，截割臂减速器连接法兰的最大接触应力为424 MPa，位置依然处在耳环和减速器连接位置。相较于法兰结构改进之前，最大工作应力降低了62 MPa。相较于法兰结构改进之前，最大工作应力降低了62 MPa。相较于法兰材料的屈服强度，计算得出改进之后的安全系数为1.2，足以满足掘进机截割臂减速器可靠工作的要求。

图2 改进截割臂减速器连接法兰等效应力（Pa）分布云图

4 应用效果评价

为了验证截割臂减速器连接法兰改进设计的实际效果，将改进之后的法兰应用于某型号掘进机截割臂减速器之中，进行了为期4 个月的跟踪记录。结构表明，改进后的截割臂减速器连接法兰工作稳定可靠，未出现耳环断裂破坏故障。统计结果显示，应用改进截割臂减速器连接法兰之后，实现了截割臂减速器连接法兰零故障的目标，减少了近10%截割臂减速器连接法兰运行维护成本，提高了近8%的掘进机使用时间，降低了煤炭掘进成本，预计为煤炭企业新增经济效益近100 万元/年，取得了很好的应用效果。

5 结论

针对某型号掘进机截割臂减速器连接法兰耳环存在过载断裂的问题，借助ANSYS 仿真计算软件，开展了截割臂减速器连接法兰强度分析工作，结果表明，法兰耳环和减速器连接位置存在应力集中是导致过载断裂的主要原因。通过增大法兰耳环和减速器连接位置的过渡圆角半径，改善了应力集中情况，最大应力值降低了62 MPa。应用结果表明，改进法兰之后未出现截割臂减速器连接法兰故障，减少了近10%截割臂减速器连接法兰运行维护成本，提高了近8%的掘进机使用时间，为煤炭企业新增经济效益近100 万元/年。