张礼才
（中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030032）
掘采装备是煤矿井下快速掘进系统的龙头装备，其可靠性水平直接影响快掘系统的可靠性。
行走部是掘采装备的核心部件，承担着设备进尺、调动的任务，掘采装备行走部调试、检修需要通过截割臂、稳定靴撑起整机，通常采用直接撑地或者垫枕木的方式，造成了截齿应力集中、截割油缸过载等问题，影响了掘采装备整机可靠性[1]。为此，本文设计了掘采装备行走部调试、检修支撑架，应用有限单元法进行了结构优化和强度校核， 为掘采装备可靠性提升奠定了基础。
1.1 行走部调试、检修流程
掘采装备在车间装配完成后，首先加注润滑油，包括连接销轴加注黄油，减速器加注齿轮油，然后调试电控系统，整机电控系统调试完成后，进入部件调试阶段。
通过截割臂、稳定靴将设备撑起，履带离地，给涨紧油缸加注黄油，涨紧履带，履带悬垂度满足设计要求后，通过垫板限位，卸掉黄油，正向、反向空转履带。
检查行走部履带运转是否正常。
掘采装备井下服役过程中，行走部发生故障，比如履带销断裂、行走减速器故障，需要通过截割臂、稳定靴撑起整机，检修更换故障部件[2]。
1.2 行走部调试、检修的问题
行走部调试、 检修通常采用截割滚筒下垫枕木的方式或者截割滚筒直接接触地面，
这两种调试、检修方式会导致截齿、齿座、截割油缸可靠性降低，而且存在安全隐患。
具体表现如下：
（1）截割滚筒下垫枕木的检修、调试方式导致齿尖应力集中。
截割滚筒上焊接了齿座，齿座上安装了截齿，掘采装备重量达到数十吨甚至上百吨， 重载荷作用在齿尖上，导致截齿变形、齿座焊缝开裂等故障。
多个枕木摞在一起，存在枕木开裂、坍塌的安全隐患。
（2）截割滚筒直接接触地面的检修、调试方式会导致齿尖应力集中、截齿变形，截割油缸力臂缩短，导致截割油缸过载损坏问题。
2.1 功能分析
分析系统的总功能是拟定原理方案的首要环节，常采用“黑箱法”，根据系统的输入和输出关系来研究实现系统功能[3]。
将掘采装备行走部履带接触地面视为初始状态，即系统输入，将履带离开地面状态视为终止状态，即系统输出。
掘采装备行走部调试、检修支撑架黑箱图见图1。掘采装备截割滚筒对支撑架做功， 支撑架产生弹性变形，作为弹性势能储存。
图1 支撑架黑箱图
2.2 载荷计算
掘采装备通过截割臂、稳定靴将整机撑起，整机受力分析见图2。
图2 掘采装备受力分析
图中F 表示掘采装备滚筒受到的支撑力，G 表示掘采装备重力，N 表示掘采装备稳定靴受到的支撑力。
掘采装备处于平衡态，其受到的重力、支撑力对O 点取矩，得到如下方程式。
支撑架受到的压力与滚筒受到的支撑力F 是一对作用力与反作用力，根据牛顿第三定律，二者大小相等，方向相反[4]。
2.3 尺寸计算
支撑架高度应满足，稳定靴完全伸出后，机架保持水平状态。掘采装备截齿在滚筒上呈螺旋线排布，支撑架宽度应小于齿座螺距，保证支撑架与滚筒接触时，不与齿座干涉。
支撑架尺寸参数见图3。
图3 支撑架尺寸示意图
图中1 表示齿座，2表示滚筒，3 表示支撑架，H 表 示 支 撑 架 高 度，B 表示支撑架宽度。
根据掘采装备三维尺寸、 滚筒上齿座间距尺寸， 计算得到支撑架高度H 为600mm，宽度B 为140mm。
综合上述分析计算过程，掘采装备行走部调试、检修支撑架应满足尺寸要求、承载能力要求以及质量轻、方便使用要求[5]。
为此将支撑架设计为钢板焊接结构，见图4。
图4 支撑架结构图
图中1 表示支撑板，2 表示挡板，3 表示斜筋，4 表示立板，5 表示横筋，6 表示竖筋，7表示底板。
支撑板与滚筒接触，支撑板受到的载荷通过立板、底板传递至地面，挡板、筋板用来增加结构的稳定性和强度。
3.1 支撑架有限元分析
建立滚筒模型，导入支撑架装配体，在滚筒与支撑板之间添加相切的配合关系， 将三维模型导入有限元分析软件ANSYS workbench。
滚筒与支撑板之间添加不分离接触， 模拟滚筒与支撑架的接触关系，支撑架的支撑板、立板、筋板、挡板、底板彼此之间添加绑定接触， 模拟支撑架各个板之间的焊接装配关系[6]。
采用自适应网格划分方式，设置单元尺寸为5mm，滚筒与支撑板接触部位，设置接触单元尺寸2mm，滚筒网格与支撑板网格在接触部位节点对齐， 确保滚筒载荷通过节点传递至支撑板，完成支撑架网格划分，节点数135536，单元数22752。
对滚筒施加轴承载荷， 模拟截割减速器与滚筒的装配关系，载荷方向竖直向下，按照2.2 节给出的方法，计算得到某型号掘采装备行走部检修调试支撑架受到的载荷大小为20t。
在底板的下表面添加固定约束方式。
支撑架有限元分析模型见图5。
图5 支撑架有限元分析模型
求解掘采装备行走部检修调试支撑架有限元分析模型，得到支撑架载荷分布见图6。
图6 支撑架载荷分布图
由图6 可知，掘采装备行走部调试、检修支撑架最大载荷出现在立板凹槽角点处， 最大载荷幅值为178.54MPa， 支撑架材料为Q235， 最大载荷低于屈服极限，安全系数为1.32，支撑架静力学强度满足要求。
3.2 支撑架结构优化
在掘采装备生产车间和煤矿井下，支撑架经常使用，需要满足质量轻，便于移动要求，为此，在支撑架立板上增加减重孔， 支撑架重量由原来的123.6kg 降至97.4kg，支撑架自重降低21%。
求解减重后的支撑架有限元分析模型， 获得其载荷分布如图7（a）所示。
图7 支撑架结构优化探讨
由图7（a）可知，减重后的支撑架最大载荷仍然出现在立板凹槽角点处，最大载荷值为190.81MPa。
支撑架载荷低于其屈服极限，强度满足要求。
鉴于支撑架立板凹槽角点处出现应力极值， 改变支撑架凹槽角点结构，观察应力极值变化情况。
分别将立板凹槽角点设计为倒角、卸荷孔、圆角三种结构，将新结构的支撑架导入有限元分析软件，计算得到支撑架载荷分布情况如图7（b）～（d）所示。
原始结构、 增加减重孔以及立板槽角点设计为倒角、卸荷孔、圆角五种情况下，支撑架应力极值统计见表1。
由表1 可知，增加减重孔，支撑架应力极值增加了7%，增加倒角， 支撑架应力极值增加了43%，增加卸荷孔，支撑架应力极值增加了97%，增加圆角，支撑架应力极值增加了66%。与原始结构相比，增加减重孔，应力极值未超过屈服极限， 增加倒角、增加卸荷孔、增加圆角三种情况下，支撑架应力极值均超过了屈服极限，不满足强度要求。
表1 支撑架应力极值统计
综上所述， 采用增加减重孔的支撑架模型作为设计定型机构。
掘采装备支撑架完成了设计和制造， 应用于掘采装备行走部调试， 累计完成了数十台连采机、 掘锚一体机行走部调试。
掘采装备行走部调试支撑架应用现场见图8。
图8 支撑架应用
本文针对掘采装备行走部检修、调试问题，基于功能分析法，确定了支撑架总功能，计算了支撑架载荷与尺寸参数，应用有限单元法，计算了支撑架应力分布并进行了结构优化，得出结论如下：
（1）功能分析法与有限单元法相结合，是提高设计质量的重要方法， 本文应用此方法完成了掘采装备行走部调试、检修支撑架方案设计和结构设计。
（2）模拟实际工况加载是提高有限元计算精度的重要方法，本文模拟滚筒与支撑架接触配合关系，建立包含滚筒在内的支撑架有限元分析模型， 提高了支撑架有限元分析精度。
（3）支撑架应用于掘采装备行走部调试、检修，解决了截齿应力集中和截割油缸过载问题，提高了掘采装备可靠性。
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