ZBZ160型矿用掘进机在使用过程中的结构性能分析

ing conditions. This paper puts forward som e suggestions for the roadheader from differentangles Ithas im portantguidance and reference sig-
nificance to guide the optim ization and im provem entofroadheader, im prove its structural perform ance and operation efficiency.
图 3 材料属性设置界面
3 掘进机结构性能分析
3.1 工况一下结构性能分析 结合前文确定的掘进机作业工况一作业条件袁
得到了掘进机在此工况下的结构强度图袁 如图 4 所 示遥 由图可知袁掘进机整体结构出现了应力分布不均 匀现象袁在回转台尧升降油缸尧伸缩油缸等部件均出 现了较大程度的应力集中现象袁 最大应力值达到了 230.81 M Pa袁集中在左侧的升降油缸的活塞杆销轴孔 处袁未超过材料的屈服强度 345 M Pa袁整体结构相对 安全遥 但油缸及回转台是此种工况下的主要受力部 件袁若在此工况下长时间的作业袁将极可能使整个掘 进机出现结构失效问题袁故要求油缸尧回转台等结构 需具有较好的结构强度及性能特点遥
台及油缸的结构强度遥 2冤 在回转台设计加工时袁对其中部回转支撑处
进行调质淬火等热加工处理袁 并对上表面的进行精 加工处理袁表面粗糙度控制在 0.1 5袁由此袁可提高此 部位的结构强度遥
3冤 对中部回转支撑处尧铰接连接处应力集中区 域开设较小孔径的圆孔袁直径 2～3 m m 袁可使集中的 应力转移至小孔处袁以降低结构上的应力集中现象遥
2021 年第 4 期
煤矿现代化
第 30 卷
ZBZ1 60 型矿用掘进机在使用过程中的结构性能分析
茹鹏
渊 晋能控股晋城煤炭事业部晋圣上孔煤业有限公司 袁 山西 晋城 048000冤
摘 要院以 ZBZ1 60 型矿用掘进机为分析对象袁采用 A BA Q U S 软件建立了掘进机的仿真模型袁开展了 设备在 2 种工况下的结构性能研究袁得出院回转台尧油缸等部件是整个结构中的受力最大部件袁在恶劣 工况下作业袁极容易出现结构失效的安全隐患袁从不同角度提出了掘进机中关键部件的结构优化改进 措施袁这对指导掘进机的优化改进尧提高其结构性能及作业效率具有重要指导和参考意义遥 关键词院煤矿 曰 掘进机 曰 结构强度 曰 有限元 中图分类号院TD 421 文献标志码院A 文章编号院1 009-0797渊 2021冤 04-01 70-04
1冤 掘进机在工况一条件下袁回转台尧升降油缸尧 伸缩油缸等部件均出现了较大程度的应力集中现 象袁虽未超过其材料的屈服强度袁但在长时间作业工 况下极容易率先出现结构失效问题袁 存在一定的安 全隐患遥
2冤 在工况二条件下袁掘进机中的回转台尧升降油 缸均出现了较大程度的应力集中袁其中袁回转台上的 应力值已超过其材料的屈服强度袁 在此复杂工况下 长期作业袁存在严重的故障失效隐患袁需对其进行结 构优化改进遥
图 5 工况二下掘进机应力变化图
为进一步分析回转台的受力情况袁 提取了回转 台的应力变化图袁如图 6 所示遥 由图可知袁回转台上 的最大应力值达到了 41 3M Pa袁 出现在回转台与回转 支撑轴连接的中间区域袁 超过了材料屈服强度 345M Pa曰 回转台的左右两侧铰接连接孔及平面上也 出现了较大程度的应力集中现象遥因此袁在此工况下袁 需重点对回转台的受力情况及结构性能进行跟踪尧维 护和保养遥 以保证掘进机整个设备的作业安全性遥
3冤 从材料属性尧结构组成尧结构尺寸尧后期维护 保养等方面提出了掘进机的结构优化改进措施袁可 为掘进机的实际优化改进提供重要的指导作用遥
4冤 该研究对掌握掘进机及关键部件在不同工况 下的受力情况及变形规律具有重要作用袁 也为指导 设备整体性能的提供改进优化提供了重要指导和参 考袁实际指导价值较大遥
参考文献院
4冤 将油缸活塞杆的壁厚增加 2～3 m m 袁外径也 增加 2～3 m m 袁 对活塞杆上端与销轴孔连接处的焊 缝进行消除应力处理遥
5冤 定期对回转台及油缸缸筒界面处进行结构变 形尧润滑性能等方面维护保养袁掌握该些部件的变形 规律袁针对其出现的异常情况袁需及时对其进行维修 或更换等操作袁以保证回转台尧油缸的作业安全性遥
1 - 截割头曰2- 截割臂曰3- 升降油缸曰4- 回转台曰5- 回转油缸 图 1 ZBZ1 60 型矿用掘进机结构组成图
2021 年第 4 期
煤矿现代化
第 30 卷
2 掘进机结构分析模型建立
2.1 三维模型建立 根据掘进机的结构组成特点袁 为分析其结构的
整体结构性能袁采用了 Solidworks 软件袁对其进行了 三维模型建立遥 所建立的模型主要包括掘进机的回 转台尧截割头尧升降油缸尧回转支架尧回转油缸等部件袁 按照各部件之间的相互配合关系袁对其进行了模型装 配遥同时袁为减少模型的分析时间袁提高模型的分析精 度袁对模型中的非关键圆角尧倒角尧圆孔等特征进行了 模型简化袁仅保留了整体结构的关键受力部件[6 ]遥 所 建立的掘进机部分结构模型图如图 2 所示遥
图 6 工况二下回转台应力变化图
4 掘进机优化改进
结合前文分析袁 得到了掘进机在,2 种工况下的 受力情况袁可知院掘进机中回转台和油缸的受力相对 较高袁是整个结构的薄弱部件袁其中袁回转台的受力 相对更高遥 为保证掘进机的高效作业袁故需对掘进机 中的关键部件进行结构优化改进袁具体如下院
1冤 针对回转台及油缸结构袁可提高其材料的材 料属性袁选择材料屈服强度更高的材料袁以提高回转 窑172窑
表 1 Q 345 材料关键参数
名称
泊松比
密度 /kg/m 3
屈服强度 弹性模量 抗拉强度
/M Pa
/G Pa
/M Pa
Q 345
0.28
7 850
345
200
470～650
2.3 作业工况确定 由于掘进机的作业工况相对较多袁 无法一一对
其作业工况进行分析研究遥 故确定了工况一和工况 二条件对其进行分析研究遥 其中袁工况一条件为院将 截割臂中的俯仰角和水平角设置为 0°袁保证左右油 缸处于相同的支撑状态袁 此工况的作业安全性相对 较高曰工况二条件为院将截割臂中的俯仰角和水平角 分别设置为 -25°和 25°袁 使其一边的油缸处于最
大的压缩状态袁另一侧油缸处于最大行程袁此工况为 最为威胁状态遥
图 2 掘进机部分结构三维图
2.2 仿真模型建立
将建立的掘进机三维模型保存为 x-t格式后袁导 入至 ABAQ U S 软件中袁对其进行仿真模型建立遥由于 掘进机在使用中基本采用的 Q 345 材料袁故在软件中 首先对其进行材料属性设置袁将其材料设置为 Q 345 材料袁材料的主要参数见表 1袁软件中设置界面如图 3 所示遥同时袁由于掘进机中关键部件均为实体类型袁 故对其进行了 Solid 实体单元类型设置袁在网格划分 时将网格类型设置为 12 m m 袁 进行了四面体网格划 分袁划分后的模型网格数量约 1 1 21 554 个遥 在软件 中袁将油缸与回转体尧截割部的连接处进行了铰接连 接袁底部进行了 tie 固定约束袁部件之间进行了面面 接触约束遥 由此袁完成了掘进机的仿真模型建立遥
Key words: coal m ine 曰 roadheader 曰 structural strength 曰 finite elem entanalysis
0引言
随着国家对煤矿资源的大量开采袁 实现井下高 效率尧 智能化的开采作业已成为当前实施煤矿改造 升级的重要方向遥 而保障设备的高性能作业效率显 得尤为重要[1 ]遥矿用掘进机作为煤矿开采中的关键设 备袁由于存在井下环境恶劣尧煤层较硬尧煤灰较多尧作 业时间较长尧落石较多等复杂情况袁加上掘进机的作 业姿态也相对较多袁 导致设备在实际开采中出现了 不同程度的结构变形尧局部开裂尧控制失灵等异常现 象袁而在单一开采区域中袁所有设备之间均是相互配 合的闭环作业模式袁 一旦掘进机出现了故障或停机 维修问题袁 将严重影响着整个煤矿的开采效率及产 量[2 ]遥 因此袁利用当前成熟快速的有限元分析方法来 对掘进机整机结构强度进行分析研究显得十分必 要遥 为此袁以 ZBZ1 60 型矿用掘进机为分析对象袁通过 建立该设备的有限元分析模型袁 开展了该设备在 2 种工况下的结构性能研究袁 提出了设备结构性能改 进的措施袁实际指导意义较大遥
图 4 工况一下掘进机应力变化图
3.2 工况二下结构性能分析 针对掘进机在工况二下的作业情况袁 得到了掘
进机的结构强度变化图袁如图 5 所示遥 由图可知袁掘 进机整体结构也出现了不同程度尧 无规律的应力集
窑171窑
2021 年第 4 期
煤矿现代化
第 30 卷
中现象袁其中袁在回转台尧升降油缸上的应力值相对 较高袁最大应力值达到了 41 3 M Pa袁出现在回转台上袁 已超过了材料的屈服强度 345 M Pa曰而截割臂上应力 值则相对较小遥 分析其原因为院在此工况下袁由于截 割头及截割臂此时处于向上仰角状态袁 而回转台则 处于水平状态袁 较大的沿斜面向下的作用力传递到 了回转台上遥
[1 ] 董杰.矿用掘进机回转平台的改进研究[J].机械管理开发袁
2021 年第 4 期
煤矿现代化
济三电力公兖矿东华重工有限公司 袁 山东 济宁 273500冤
5结论
针对掘进机复杂的作业工况袁 针对其现场使用 中出现的各类故障问题袁 采用当前成熟的有限元分 析方法袁对其进行结构性能研究袁是当前提高设备改 进效率和作业安全性尧 减少研发成本投入的有效方 法遥 为此袁以 ZBZ1 60 型矿用掘进机为分析对象袁对其 开展了 2 种工况下的结构性能研究袁得出如下结论院
Structural Performance Analysis Of Zbz160 Mine Roadheader In Use
R U Peng
渊
048000袁 冤
Abstract: taking zbz1 60 m ine roadheader as the analysis object, the sim ulation m odel of the roadheader is established by using A BAQ U S
1 掘进机结构分析
掘进机作为煤矿生产中的关键设备袁 其结构类 型相对较多袁根据掘进机的布局方式不同袁可分为横 轴式和纵轴式类型袁 根据巷道中单轴的抗压强度的 窑170窑
不同袁可将其分为半煤岩和硬岩型掘进机遥 以市场上 常用的 ZBZ1 60 型矿用掘进机为例袁该设备的结构主 要包括主要包括截割头尧截割臂尧回转台尧行走部尧油 缸尧液压系统尧控制系统尧润滑系统等部分[3 ]袁如图 1 所示袁 可适应煤岩硬度 f≤8 的工作面开采任务遥 其 中袁油缸则是掘进机中的关键部件主要由活塞杆尧缸 筒尧缸头尧缸尾尧油塞等组成袁负责设备的上下举升尧 水平面回转作业则主要通过油缸的伸缩来实现[4 ]遥而 截割头结构主要包括圆锥台形袁 作业时直接与煤岩 进行接触袁实现对煤岩的开采破坏作用遥 但由于井下 环境的复杂性袁设备经常会处于超负荷尧超长时间作 业等状态袁加上所开采煤层的硬度不同袁导致该设备 整体及部分关键部件极容易出现各类故障问题[5 ]遥为 此袁 将重点对掘进机在不同工况下作业时的结构性 能进行研究分析遥
software, and the structural perform ance ofthe equipm ent under two working conditions is studied. It is concluded that the rotary table, oil
cylinder and other parts are the m oststressed parts in the whole structure, which are prone to structural failure when working under bad work-