基于ANSYS的掘锚一体机滑移机构受力分析与结构优化_李欢.pdf

84 建设机械技术与管理 2023.01 产品结构0 引 言煤炭作为我国能源的重要组成部分之一，煤炭的高效开掘设备在在当前和未来拥有广阔的市场前景。掘锚一体机是当前煤矿巷道掘进一种关键设备，不仅能做到掘锚同步作业，而且掘进效率高，支护及时，施工安全，掘进效果显著，设备可以根据地质条件进行定制化、针对化设计，近几年得到了广泛的关注和应用。掘锚机滑移机构作为截割部的关键部件，对截割效率和能否实现掘锚同步作业起到至关重要的作用。掘锚机滑移架是实现掘锚同步的关键结构装备，由于煤矿井下工况复杂，滑移加安装、维修困难，对滑移机构的稳定性有极高的要求。因此，为提高滑移机构的稳定性，对整机设备的稳定有着十分重要的作用。本文利用 ANSYS 软件对不同工况下的滑移架进行静力学受力分析，对其结构进行优化，对比优化前后结构综合性能，其受力载何有了明显的改善，从而从设计源头解决问题，提高其安全性与稳定性。1 背景介绍1.1 滑移机构结构和功能滑移机构是掘锚一体机实现掘锚同步、快速掘进的关键部件，其结构如图 1 所示，整个机构主要由滑移导向柱、滑移架、截割大臂架和掏槽油缸组成，其中导向柱布置在底盘上，作为前后移动的轨道，滑移架安装在导向柱上，通过掏槽油缸推动滑移架前进、后退，进而实现对巷道截面的截割。1.2 滑移机构工况介绍滑移机构作为截割装置的承载件，其工作状态会因截割装置的不同工况而出现不同受力状况。截割装置在掘进工作中以举升-掏槽-下拉截割-回退拢料的工作模式为一个循环周期，其中在掏槽工况和截割工况下工况最为复杂，滑移架受力最大，易发生疲劳断裂。本文在正常截割工况和偏载工况下对滑移机构进行结构受力分析，并进行结构优化。2 滑移机构结构受力分析2.1 滑移机构有限元模型的建立利用 CREO 软件建立掘锚一体机滑移机构仿真模型，如图 2 所示，具体包括滑移架，大臂架、导向柱主机架以基于 ANSYS 的掘锚一体机滑移机构受力分析与结构优化Stress Aanalysis and Design of the Sliding Mechanism of the Digging and Anchoring Machine Based on ANSYS Structural Optimization李欢(中国铁建重工集团股份有限公司，湖南 长沙 410100)摘要：截割滑移机构作为掘锚一体机的关键部件，其性能不仅对整个结构的稳定性至关重要，且直接影响着掘进生产效率。针对掘锚机滑移机构在掏槽、截割工况下受力较大、易产生应力集中，发生疲劳失效，导致无法正常工作问题。本文对大采高掘锚一体机滑移机构进行结构优化，同时，为保证结构强度，验证改进后结构的可靠性，利用 ANSYS 有限元对其进行静力学分析计算，确保强度和性能满足实际生产需要。关键词：掘锚一体机；滑移机构；结构优化；ANSYS 有限元分析中图分类号：TD421 文献标识码：A图 1DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.0112023.01建设机械技术与管理 85产品结构及截割滚筒等部件。各部件的联接销用 BEAM 单元进行模拟，并释放相应梁单元的旋转自由度；螺栓采用实体建模，螺栓、垫片和相连接件采用摩擦接触，摩擦系数取 0.2。2.2 滑移机构的材料参数基于线性静力学对滑移机构进行分析，整个机构采用的材料均为钢材，具体参数如表 1 所示。由上述图 3 6 分析可知，在掏槽工况和截割下拉工况下，滑移机构的主要应力集中在两立板与圆筒及两立板与中间连接筋板的尾部位置,出现高应力，结构强度不符合设计要求，因此，需对滑移机构结构作优化，改进后的结构如图 7 所示：图 2零件密度/g.cm-3弹性模量/GPa泊松比结构件/销轴7.852070.3表 1图 3图 4图 5图 62.3 截割滑移机构的载荷和边界条件由于掘锚一体机截割装置在工作过程中滑移机构受力是复杂多变的，本文最大限度的接近施工真实状态来进行分析。滑移机构在工作过程中主要受到煤岩截割阻力、刮板机拉力、掏槽油缸拉力、自身重力等作用力。通过对滑移机构在掏槽和截割工况下的均匀截割、偏载截割进行计算分析来验证结构是否可靠。根据实际情况取掏槽工况下：截割阻力 137.4t，刮板机载荷 6t，减速机最截割扭矩 200920Nm；下拉截割工况下：举升油缸拉力116t，刮板机载荷 6t，减速机最截割扭矩 200920Nm 作为初始载荷。本文分别对以下 4 种工况进行分析：最大高度时，掏槽工况，两侧均匀截割;最大高度时，掏槽工况，单侧偏载截割;最大高度时，截割工况，两侧均匀截割;最大高度时，截割工况，单侧偏载截割。3 结果分析滑移架结构优化前，滑移机构在掏槽工况下，两侧均匀截割下的等效应力云图如图 3 所示。滑移机构的在掏槽工况下，偏载截割下的等效应力云图如图 4 所示。滑移机构的在下拉截割工况下，均匀截割下的等效应力云图如图 5 所示。滑移机构的在下拉截割工况下，偏载截割下的等效应力云图如图 6 所示。86 建设机械技术与管理 2023.01 产品结构图 7图 8图 9再次以相同的工况对滑移架进行受力分析，以偏载状态下的掏槽工况和截割工况分析，其结果如下：滑移机构在掏槽工况下，偏载截割下的等效应力云图如图 8 所示。（上接 83 页）种创新的技术和设备，相较于塔吊等施工成本低，效率高，有良好的推广应用前景。参考文献1 李宗平，唐启，张六一.南京长江第三大桥钢塔柱安装施工 J.施工技术，2008(05)：107-108.2 戴书学.泰州长江公路大桥钢塔柱吊装施工 J.中国港湾建设，2011(02):51-53.3 朱磊.独塔斜拉桥倾斜式索塔施工关键技术研究 J.安徽建筑，2021,28(04):140-141.4 李广权.高墩步履式液压提升模板仿真分析 J.低温建筑技术，2019,41(08):130-132.5 李德胜.高速公路桥梁高墩步履式液压提升模板施工工艺研究 J.交通世界，2020(15):114-115.收稿日期：2022-08-29作者简介：操建丽，学士，工程师，主要从事桥梁相关机械设备的设计工作。滑移机构的在下拉截割工况下，偏载截割下的等效应力云图如图 9 所示。从受力分析结果可知：优化后的滑移机构在相同的工况条件下，其应力集中区受力情况大大改善，对设备的安全性性有了很大的提高。滑移架等效应力水平较低，约为 200MPa，小于相应位置的母材和焊缝的许用应力300 500MPa，结构强度符合设计要求，可靠性较强。4 结束语本文以掘锚一体机截割滑移机构为研究对象，探究截割滑移机构的结构组成、受力分析及在正常掏槽和截割下拉工况下的受力情况，验证了该滑移机构设计的合理性，为后续掘锚机滑移机构的设计提供了设计参考，同时对掘锚机滑移架失效问题的预防和改进具有很重要的现实意义。参考文献1 季现亮,张标,王华超.掘锚一体机滑移架结构设计与分析 J.煤矿机械,2021,42(03):121-123.2 范 要 辉.快 掘 成 套 装 备 的 设 计 研 究 J.煤 矿 机械,2022,43(09):25-27.3 王冰,李海江.复杂地质条件下掘锚一体机应用实践J.陕西煤炭,2021,40(06):128-131+139.4 鄂宇，李钦彬，王江平，等.掘锚护一体机的设计研究J.煤矿机械，2011，32（9）：8-9.5 陈宇，张洋，耿继业，等.高应力煤巷掘锚护一体机快速掘进工序优化与支护技术 J.煤炭科学技术，2016，44（1）：55-60.收稿日期：2022-10-13作者简介：李欢，学士，工程师，主要研究方向为煤矿机械和矿山机械的结构设计工作。