浅析全断面煤巷高效掘进机本体部校核设计

摘 要：全断面煤巷高效掘进机本体部在整机中处于中心位置，其上承担着机体的各功能部件，下部与承重的行走装置铰接，工作情况下该部件的受力比较复杂；为保证工作的可靠性，设计过程中通过Creo，Ansys等软件对其进行有限元分析。

关键词：本体部；有限元模型；载荷及约束

中图分类号：TD421 文献标识码：A

日前，国内首台煤矿用全断面高效掘进机QMJ4260已在神东公司大柳塔煤矿投入使用，该机主要用于煤矿巷道掘进作业，截割标准断面成宽6m，高4.2m的矩形断面，掘进作业速度可达到15m/h。该机作为全断面一次成型的高效掘进设备，在设计过程中需要对许多部件进行严谨的校核分析，以满足煤矿井下复杂工作环境下的使用要求。

本体部在整机中处于中心位置，其上承担着机体的各功能部件，下部与承重的行走装置铰接，工作情况下该部件的受力比较复杂；为保证工作的可靠性，设计过程中通过Creo，Ansys等软件对其进行了有限元分析。

1 边界条件分析

掘进机在正常工作时，整机的重量由两条履带承担。本体部的受力主要是前方截割部通过连接面传过来的力，自身重力，其上的截割电机的重力。

每个刀盘上受向后的推力55 t，扭矩660kN・m；上面滚筒受向后和向下的力各5.5t；下面滚筒受向后和向下的力各11t；截割部自重90t。本体部自身重力按材料密度，直接由分析软件自行计算，均匀的分布在本体结构材料上。截割电机重5.5t，作用于本体部中部。

2 有限元模型

在Creo下设计的模型里面包含大量的焊接件，在建模过程中，焊缝处按连续结构处理。去掉了对计算结果影响不大的细小倒角，孔和槽均原样保留。为方便施加截割头上的载荷，在分析时对截割部的模型也加入了有限元分析模型。截割部不在所分析的内容之中，实体模型导入Ansys后对其进行了大量简化。有限元模型的单元类型选择三维实体单元Solid 185。该单元是三维实体分析中一种常用单元，有八个节点，可用于六面体网格划分，也可退化为五面体或四面体。

本体部为组焊件，材料暂定为Q345，板厚有60mm和80mm两种。

根据设计手册，该材料的屈服强度为不小于275MPa，抗拉强度为470-630MPa。

本体部整体采用六面体网格，对于应力较大的部位，采用四面体进行细化。截割部采用较粗的网格进行划分。用梁单元和杆单元模拟上下截割部，销轴和传动油缸。本体部与截割部之间，建立接触对。按照上述边界条件分析数据对有限元模型添加载荷及约束后的有限元模型如图1所示。

3 有限元分析结果

应力分布如图2所示，整体应力多在44MPa以下。按静强度校核，该结构是安全的。从总体应力云图上可以看出，还有两个位置应力较大：在本体部连接面与上部板材相交处，应力大约130MPa，以及与提升油缸销轴相接触的位置，应力大约100MPa。位移云图如图3所示，最大位移为0.8mm。

结语

通过分析，分析了本体部在各种载荷作用下的应力分布及位移。按照静强度理论校核，该结构是安全的。在分析结果中可以看出，在两个位置应力较大：（1）本体部与提升油缸销轴相接触的销轴孔，应力可达100MPa；（2）本体部连接面与上部板材相交处，应力可达130MPa。

针对这两处进行分析。在本体部与提升油缸销轴相接触的销轴孔处，该处在分析时采用了杆单元模拟销轴的传力。观察最后的分析结果（100MPa），对比材料的屈服强度（275MPa），可知此处较为安全。且此处承受的为简单的压应力为主，不易产生疲劳破坏；本体部连接面与上部板材相交位置，由于截割部质量较大，此处受较大的拉应力，且此处为直角结构，容易导致应力集中，产生较大的应力值。

参考文献

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[2]北京兆迪科技有限公司.Creo2.0高级应用教程（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]薛风先，等.ANSYS12.0机械与结构有限元分析从入门到精通[M]. 北京：机械工业出版社，2010.