薄煤層采煤機(jī)單輪行走箱導(dǎo)向滑靴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1、薄煤層采煤機(jī)單輪行走箱導(dǎo)向滑靴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析王力，趙友軍，李鈺( 西安煤礦機(jī)械有限公司，陜西 西安 710032)摘 要:針對(duì)薄煤層采煤機(jī)單輪行走箱分體式導(dǎo)向滑靴存在的問題，進(jìn)行整體式導(dǎo)向滑靴結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，并采用有限元分析方法對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析。仿真結(jié)果表明整體式導(dǎo)向滑靴滿足刮板輸送機(jī)溜槽水平彎曲 1，垂直彎曲 3的設(shè)計(jì)要求?；ルp耳薄弱處最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服 極限，安全系數(shù) 1 983，疲勞壽命顯著提高，現(xiàn)場實(shí)際使用情況進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)結(jié)構(gòu)的合理性。關(guān)鍵詞:采煤機(jī); 導(dǎo)向滑靴; 疲勞分析中圖分類號(hào): td421 6 + 1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: b文章編號(hào): 1001 0874( 2012)

2、06 0078 03structure design analysis of guide-slipper on single wheelwalking box for thin seam shearerwang li，zhang you-jun，li yu( xian coal ming machinery co ，ltd，xian 710032，china)aiming at the existing problems of guide-slipper on single wheel walking box for thin seam shearer，theabstract:structur

3、e of integrated guide-slipper is improved its static and fatigue strength are calculated by fea method thesimulation result shows that the integrated guide-slipper meets the design requirements of 1 horizontal bending and3 vertical bending per linepan of scraper conveyor the maximum stress in the re

4、gion of double-ear root of the shipper is far less than the yield limit and the safety factor is about 1 983 the fatigue life is significantly increased the in-site operation proved the reasonableness of the improved constructurekeywords:shearer; guided slipper; fatigue analysis0引言1導(dǎo)向滑靴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前，我國煤礦采用

5、薄煤層采煤機(jī)開采已越來越普遍，薄煤層采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的可靠性直接關(guān)系 到煤礦安全生產(chǎn)效率和生產(chǎn)進(jìn)度。保證導(dǎo)向滑靴與 齒軌配合的合理性非常重要。在功率不斷提高及結(jié)構(gòu)尺寸要求緊湊的條件 下，薄煤層采煤機(jī)單輪行走箱導(dǎo)向滑靴目前采取分 體式和整體式兩種結(jié)構(gòu)。分體式導(dǎo)向滑靴能較好滿 足行走箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，但對(duì)運(yùn)輸機(jī)水平和垂直 彎曲的適應(yīng)性差。本文探討整體式導(dǎo)向滑靴的改進(jìn) 設(shè)計(jì)，采用有限元法分析其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度1，獲得導(dǎo)向 滑靴的應(yīng)力分布規(guī)律，并計(jì)算疲勞壽命和疲勞應(yīng)力， 以驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)后，整體式導(dǎo)向滑靴能否滿足設(shè)計(jì) 要求。0 角的確定由于具體地質(zhì)條件及環(huán)境影響，采煤機(jī)運(yùn)行過 程中工作面輸送機(jī)溜槽需要一定的水平彎

6、曲和垂直 彎曲2。中部溜槽偏轉(zhuǎn)角 和采煤機(jī)機(jī)身與第一 節(jié)水平中部溜槽的偏轉(zhuǎn)角 0 ，是確定導(dǎo)向滑靴水平 內(nèi)偏轉(zhuǎn)間隙及結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要依據(jù)。 當(dāng) l l0 nl，n = 2，3，4，水平和垂直彎曲關(guān)系式分別為:n 11 1l0 cos 0 = lcos( i)i = 1n 1h = lsin( i)i = 1( 1)( 2)= h( 3)sin 0l0整理得:煤礦機(jī)電2012 年第 6 期79sin 0 cos( n) cos 0 sin( n)=1 2 + ( l1 l2 ) tan 0 + 2hn 1n 1 arcsin l sin( i) l2 0 tan0+ hcoscos( i)l022

7、 22i = 1i = 1n 1n 10 = n arcsin l l sin( i) i = 1( 4)式中: b、h齒軌、導(dǎo)向滑靴制造誤差及齒軌接縫處安裝偏差; b、h滑靴錐口的附加尺寸; b1 、b2 導(dǎo)向滑靴內(nèi)寬、錐口寬度; cos( i)i = 10若 4ll0 nl，n = 5，6，7 時(shí)，類似有:l0 cos 0 = lcos( i) + lcos( 8 i) +4n 1l 、l 導(dǎo)向滑靴總長度、導(dǎo)向長度;12改進(jìn)后整體式導(dǎo)向滑靴實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)水平彎曲1，垂直彎曲 3的設(shè)計(jì)要求，提高了工作適應(yīng)性。i = 1xcos( 8 n ) i = 5( 5)4n 1h = lsin( i) +

8、 lsin( 8 i) +xsin( 8 n) i = 1i = 5( 6)0 = ( 8 n) arcsin l sin( 8 n) l04n 1( cos( i) + cos( 8 i) ( a)導(dǎo)向滑靴寬度結(jié)構(gòu)尺寸i = 1i = 54cos( 8 n) ( sin( i)+i = 1n 1sin( 8 i) ) ) ( 7)i = 5式中: l單節(jié)溜槽長度;l0 兩個(gè)導(dǎo)向滑靴中心距離; 0 采煤機(jī)機(jī)身與第一節(jié)偏轉(zhuǎn)水平溜槽間 的偏轉(zhuǎn)角;每節(jié)中部溜槽相對(duì)偏轉(zhuǎn)角;1 2 導(dǎo)向滑靴結(jié)構(gòu)尺寸 導(dǎo)向滑靴的結(jié)構(gòu)尺寸主要取決于彎曲段溜槽齒軌的最大轉(zhuǎn)折處，即由直線段進(jìn)入彎曲段的接點(diǎn)位 置。分體式導(dǎo)向滑靴

9、由于右側(cè)片與行走箱固定，不 能適應(yīng)運(yùn)輸機(jī)的水平、垂直彎曲變化。在實(shí)際應(yīng)用 過程中，頻繁出現(xiàn)齒軌輪嚴(yán)重磨損、掰齒及導(dǎo)向滑靴 斷裂等問題。一味加大滑靴內(nèi)寬或錐口寬度又無法 實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向功能。為了保證整體式導(dǎo)向滑靴順利越過 溜槽齒軌的對(duì)接和彎曲段及溜槽轉(zhuǎn)折處。導(dǎo)向滑靴 寬度尺寸應(yīng)滿足以下條件( 圖 1) :2 = b + 2b1 2 + ( l2 l1 ) sin 0 + 2b( b)圖 1導(dǎo)向滑靴高度結(jié)構(gòu)尺寸導(dǎo)向滑靴結(jié)構(gòu)示意圖2導(dǎo)向滑靴的有限元分析導(dǎo)向滑靴靜強(qiáng)度分析應(yīng)用 solidworks 完成導(dǎo)向滑靴三維建模并劃分 網(wǎng)格，得 到導(dǎo)向滑靴有限元模 型。 在 solidworks cosmosm 模塊

10、進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，將目標(biāo)工作狀態(tài) 設(shè)定為水平行走狀態(tài)，根據(jù)導(dǎo)向滑靴材料屬性，定義 彈性模量為 200 gpa，泊松比 0 3，屈服強(qiáng)度和抗拉 強(qiáng)度分別為 835 mpa 和 980 mpa。在導(dǎo)向滑靴兩個(gè) 耳孔內(nèi)孔位置施加固定約束，依據(jù)動(dòng)力學(xué)模型下導(dǎo)2 14向滑靴受力接觸區(qū)域施加載荷 ，由求解器求得應(yīng)力應(yīng)變云圖( 圖 2) 。仿真結(jié)果表明: b 2 l1 tan 0 + cos 1)導(dǎo)向滑靴兩個(gè)耳孔處應(yīng)力值最大，mises 應(yīng)0為保障導(dǎo)向滑靴圍繞水平軸線相對(duì)擺動(dòng)一定角度，導(dǎo)向滑靴在高度方向尺寸應(yīng)滿足以下條件:2 = h + 2h力 max = 445 352 mpa，其次是導(dǎo)向滑靴的底部勾槽處。

11、導(dǎo)向滑靴容易在這些部位發(fā)生損壞和斷裂，應(yīng) 予加強(qiáng)。煤礦機(jī)電802012 年第 6 期2) 由于整體式導(dǎo)向滑靴左右兩耳孔大小不一，小耳孔連接主體結(jié)構(gòu)圓弧過渡處應(yīng)力應(yīng)變值均比大 耳孔圓弧連接處大。3) 目標(biāo)工作狀態(tài) 下，導(dǎo) 向 滑 靴 最 大 應(yīng) 力 為445 352 mpa 小于材料的屈服極限 s = 835 mpa，所 以整體式導(dǎo)向滑靴的設(shè)計(jì)是安全的。( b) 導(dǎo)向滑靴安全系數(shù)圖解圖 3 導(dǎo)向滑靴生命周期圖解、安全系數(shù)圖解106 次。右耳根部疲勞壽命最小，損壞率為1 5% ，安全系數(shù)為 1 983，能基本滿足采煤機(jī)易損件設(shè)計(jì) 要求?，F(xiàn)場使用情況表明整體式導(dǎo)向滑靴使用性能 和使用壽命較分體式導(dǎo)向

12、滑靴有明顯改善4，5。3 結(jié)論( a)導(dǎo)向滑靴應(yīng)力云圖本文在分體式導(dǎo)向滑靴結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，改進(jìn)整體式導(dǎo)向滑靴設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水平彎曲 1和垂直彎曲 3的 設(shè)計(jì)要求，采用有限元分析手段計(jì)算在正常工況條 件下整體式導(dǎo)向滑靴靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。仿真結(jié)果 表明導(dǎo)向滑靴兩耳孔處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，是整體 結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位。且由于左右耳孔尺寸存在差異，最大應(yīng)力 出 現(xiàn) 在 右 側(cè) 耳 孔 處，其 最 大 應(yīng) 力 max=( b) 導(dǎo)向滑靴應(yīng)變云圖圖 2 導(dǎo)向滑靴應(yīng)力應(yīng)變云圖445 352 mpa 小于材料屈服極限 s = 835 mpa。同時(shí)導(dǎo)向滑靴經(jīng)循環(huán)加載后，最小疲勞壽命出現(xiàn)在右 耳根部，最小疲勞壽命 13 669

13、次，最大疲勞壽命 1 106 次，安全系數(shù) 1 983，完全滿足設(shè)計(jì)要求。改進(jìn)后的整體導(dǎo)向滑靴不但滿足生產(chǎn)要求，而且大大提 高了開機(jī)率和整機(jī)可靠性，降低了配件成本，創(chuàng)造了 一定的經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn):2 2 導(dǎo)向滑靴疲勞強(qiáng)度分析導(dǎo)向滑靴的主要失效形式為疲勞斷裂、疲勞磨 損。本文 在靜強(qiáng)度分析基礎(chǔ) 上，應(yīng) 用 solidworks cosmos 疲勞分析模塊依據(jù)線性累計(jì)損傷疲勞理 論3，對(duì)導(dǎo)向滑靴進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，分析結(jié)果如 圖 3 所示。目標(biāo)工作狀態(tài)下，導(dǎo)向滑靴經(jīng)過 1 000 次承載 循環(huán)后，最小生命周期 13 669 次，最大生命周期 1 1李鐵軍 采煤機(jī)牽引部傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究d 太原: 太原理工大學(xué)，2005劉春生 滾筒式采煤機(jī)理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)m 徐州: 中國礦業(yè)大 學(xué)出版社，2003趙永翔 基于應(yīng)變疲勞可靠性分析的新方法j 機(jī)械工業(yè)學(xué) 報(bào)，2002，38( 1)