采煤机导向滑靴的优化改进(1).pdf

机电工程技术第４９卷第０８期ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ＆ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ ４９Ｎｏ ０８收稿日期２０２０－０１－１４ＤＯＩ１０ ３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００９－９４９２ ２０２０ ０８ ０８９李领．采煤机导向滑靴的优化改进［Ｊ］．机电工程技术，２０２０，４９（０８）２６８－２６９ 采煤机导向滑靴的优化改进李领（汾西矿业集团中兴煤业公司，山西吕梁０３０５００）摘要利用Ｃｒｅｏ软件建立了采煤机导向滑靴三维模型，通过ＡＮＳＹＳ有限元软件对导向滑靴的受力情况进行了分析，发现在危险受力状态时后导向滑靴的最大应力值为５２７ ８ＭＰａ，超过了材料的最大许用应力值４９０ＭＰａ，不利于零部件的稳定工作。通过增加销轴孔倒角半径和耳板厚度的方法对后导向滑靴进行优化改进，结果发现优化后的最大应力值为４４２ ６ＭＰａ，降低到了材料许用值以下。优化的后导向滑靴受力情况得到了改善，延长了使用寿命。关键词采煤机；导向滑靴；应力值；优化计算中图分类号ＴＤ４２１文献标志码Ａ文章编号１００９－９４９２（２０２０）０８－０２６８－０２ＯｐｔｉｍａｌＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＳｈｅａｒｅｒＧｕｉｄｅＳｈｏｅＬｉＬｉｎｇ（ＺｈｏｎｇｘｉｎｇＣｏａｌＣｏ，Ｌｔｄ，ＦｅｎｘｉＭｉｎｉｎｇＧｒｏｕｐ，Ｌｙｕｌｉａｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ０３０５００，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＣｒｅｏｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈａｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｈｅａｒｅｒｓｇｕｉｄｅｓｈｏｅ．ＴｈｅＡＮＳＹＳｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｇｕｉｄｅｓｈｏｅ．Ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｒｅａｒｇｕｉｄｅｓｈｏｅｗａｓ５２７ ８ＭＰａｉｎａｄａｎｇｅｒｏｕｓｓｔａｔｅ，ｅｘｃｅｅｄｅｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍａｌｌｏｗａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌ４９０ＭＰａ，ｗｈｉｃｈｗａｓｎｏｔｃｏｎｄｕｃｉｖｅｔｏｔｈｅｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｐａｒｔｓ．Ｔｈｅｒｅａｒｇｕｉｄｅｓｈｏｅｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｃｈａｍｆｅｒｉｎｇｒａｄｉｕｓｏｆｔｈｅｐｉｎｈｏｌｅａｎｄｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｅａｒｐｌａｔｅ．Ａｓａｒｅｓｕｌｔ，ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅｉｓ４４２ ６ＭＰａ，ｗｈｉｃｈｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌａｌｌｏｗａｂｌｅｖａｌｕｅ．Ｔｈｅｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｒｅａｒｇｕｉｄｅｓｈｏｅｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｉｓｅｘｔｅｎｄｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｓｈｅａｒｅｒ；ｇｕｉｄｅｓｈｏｅ；ｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ０引言一直以来，煤炭都是我国能源的重要构成部分，虽然我国当前正在倡导多元化的能源结构体系，但是煤炭在我国能源结构体系中的主导地位仍未改变［１］。在采煤过程中如何确保效率和安全是煤炭行业一直追求的目标，如何采取行之有效的措施在确保安全的前提下进一步提升采煤效率是采煤领域亟需解决的问题［２］。行走机构导向滑靴是采煤机的重要构成部分，然而，在实际工作过程中，导向滑靴经常出现失效而导致整个采煤机停机检修的问题，严重影响采煤机的工作效率［３］。主要原因是导向滑靴受力较复杂，过大的受力必然会降低其使用寿命。因此，有必要针对导向滑靴的受力情况进行分析，进而对其结构进行优化改进，改善受力情况，提升使用寿命。１采煤机导向滑靴失效分析导向滑靴失效是造成采煤机故障停机的重要因素之一。一旦导向滑靴出现失效问题，就必须让整个采煤机停止工作进行维修，一般情况下更换导向滑靴需要花费６～７ｈ时间，严重影响采煤机的工作效率［４］。大量实践经验表明，如果采煤机进行俯斜开采，由于受力情况比较特殊，非常容易导致导向滑靴出现失效问题。在针对采煤机行走机构进行设计时，都默认刮板输送机底板在垂直方向和水平方向的弯曲角度控制在３和１范围内［５］。然而在实际工作中，受恶劣环境影响，采煤机行走机构的机械零部件会加剧磨损，导致上述的垂直方向和水平方向弯曲角度变大，从而超过规定范围值。在这样的工况条件下，如果继续让采煤机工作，为了保证采煤过程的正常进行，导向滑靴必然会承受很大的力，而加剧导向滑靴的磨损，当导向滑靴承受的力达到一定程度时就会导致其失效，引发故障停机。可见，导向滑靴失效是导致采煤机故障停机的重要原因，严重威胁着采煤机的工作效率［６］。２采煤机导向滑靴模型的建立本文利用Ｃｒｅｏ三维造型软件建立采煤机导向滑靴的三维模型，利用ＡＮＳＹＳ非线性有限元软件来建立采煤机导向滑靴的数值模拟仿真模型。ＡＮＳＹＳ软件功能非常强大，能够进行结构分析、流体分析、磁场分析等。利用该软件开展数值模拟分析时的步骤主要分为３个阶段，分别为前处理阶段、分析计算阶段和后处理阶段。在前处理阶段主要进行模型的建立、网格的划分、工艺条件的设置等；分析计算阶段就是针对建立的模型进行计算；后处理阶段就是针对计算结果进行提取与分析，得到想要的结果。因此，借用ＡＮＳＹＳ软件来分析采煤机导向滑靴的受力情况效果较好。２ １三维模型的建立采煤机中的导向滑靴结构相对比较复杂，导致该机构在工作时的受力情况也较为复杂。基于此，有必要针对采煤机导向滑靴的真实结构进行建模，并分析其工作时的受力情况。图１所示为根据真实的结构尺寸建立的某型号采煤机导向滑靴三维结构图，本文所述模型利用Ｃｒｅｏ三维造型软件建立。８６２（下转第２８３页）图１采煤机导向滑靴三维结构图２ ２材料选择以及网格划分通过Ｃｒｅｏ三维造型软件建立好导向滑靴的三维模型后，需要将其格式导出ＡＮＳＹＳ可以识别的ｘ－ｔ格式，并将三维模型导入到ＡＮＳＹＳ软件中设置材料，并划分网格。在模型中将导向滑靴的材料设置为ＺＧ３５ＣｒＭｎＳｉ，实际中多使用该材料来生产制造导向滑靴，因此可以满足实际情况。该材料为合金铸件，屈服强度和抗拉强度分别为８３５ＭＰａ和９８０ＭＰａ，伸长率和断面收缩率分别为１４％和３０％，弹性模量和泊松比分别为２１０１１Ｐａ和０ ３。设置好材料属性后，需要针对导入的三维模型进行网格划分，网格划分对于有限元分析而言非常重要，网格划分的质量直接决定了计算结果精度，网格划分不好可能导致分析无法持续下去。ＡＮＳＹＳ软件中具有多种网格类型，为了保证计算过程的顺利进行并确保计算结果的精度，本文用四面体单元类型来划分网格。最后，根据实际情况对导向滑靴进行约束，其中受到的约束主要包括侧向力、支反力，且销孔为完全约束。３采煤机导向滑靴受力仿真分析为了确保导向滑靴的绝对安全，本文在设置受力条件时按照危险条件进行设置。根据分析结果，对于前导向滑靴，分别将侧向力和支反力最大值设置为２４５ｋＮ和１８６ｋＮ，它们的方向分别指向采空侧和垂直向上［７］。对后导向滑靴，分别将侧向力和支反力最大值设置为３７１ｋＮ和７６７ｋＮ，它们的方向分别指向采空侧和垂直向上。设置好相关的工艺条件参数后即可开始分析计算，如图２和图３所示分别为采煤机前导向滑靴和后导向滑靴的应力云图。图２采煤机前导向滑靴应力云图图３采煤机后导向滑靴应力云图当按照危险情况来设置工艺条件时，从图中可以看出前导向滑靴和后导向滑靴的最大应力值分别为２４５ ９ＭＰａ和５２７ ８ＭＰａ。其中前导向滑靴的最大应力值位置为销轴孔下半圆且偏向采空侧区域，具体位置为销轴孔内侧。后导向滑靴的最大应力位置为销轴孔下半圆区域，具体位置为煤壁侧。而生产制造采煤机导向滑靴的材料ＺＧ３５ＣｒＭｎＳｉ，其最大的许用应力为４９０ＭＰａ。可见，前导向滑靴的最大应力值在最大许用范围内，而后导向滑靴的最大应力值超过了该材料的最大许用应力值。另外，前导向滑靴和后导向滑靴的最大应变值分别为０ ４３５ｍｍ和０ ８０８ｍｍ，位置分别在采空侧导钩处和煤壁侧导钩处，前后导向滑靴的最大应变值都相对较小，基本能够满足实际使用要求。基于上述分析可以知道，当采用危险工况参数进行前后导向滑靴受力分析时，对于前导向滑靴而言，不管是最大应力值还是最大应变值都在允许的范围内，无需对其进行进一步优化改进。而对于后导向滑靴而言，虽然其最大应变值在允许的范围内，但最大应力值５２７ ８ＭＰａ已经远远超过了允许的最大应力值４９０ＭＰａ，不能满足实际使用要求。因此有必要针对后导向滑靴进行优化改进。４采煤机导向滑靴优化改进措施上文针对采煤机导向滑靴的受力情况进行了分析，发现后导向滑靴存在应急集中问题，导致煤壁侧销轴孔位置的最大应力值超过了材料的许用最大应力值，这必然会加速导向滑靴的磨损，影响导向滑靴的使用寿命。因此，必须对后导向滑靴进行优化改进，以降低其在使用过程中的最大应力值。改进的目标为耳板强度，即需要采取行之有效的措施来提升耳板的强度。可以提升导向滑靴强度的措施有很多种，比如增加耳板厚度以提升强度、加大销轴孔倒角半径以降低应力集中现象、更换生产制造材料以提升材料的最大使用应力值［８］。结合实践经验，并参考大量文献资料，本文综合利用前两种方法进行优化改进，分别把销轴孔倒角半径和耳板厚度增加２ｍｍ和１０ｍｍ。将改进后的后导向滑靴根据上述的步骤重新建模，在相同的工况参数条件再次利用ＡＮＳＹＳ软件对其进行受力分析，其结果如图４所示。图４优化改进后的采煤机后导向滑靴应力云图由图可知，通过增加销轴孔倒角半径和耳板厚度，后导向滑靴的最大应力值出现了显著降低，其最大应力值由优化改进前的５２７ ８ＭＰａ降低到了４４２ ６ＭＰａ。优化改进后的后导向滑靴最大应力值低于材料的许用最大应力值，完全能够满足使用要求。另外，改进后的后导向滑靴其最大应变量同样出现了一定程度的降低，从０ ８０８ｍｍ降低至０ ６５４ｍｍ。综上，针对导向滑靴进行优化改进后，即便是在最危险的工况条件下，在理论层面其最大应力值也在材料的许用应力值范围内，完全能够满足使用要求。通过结构尺寸上的改进，优化了采煤机导向滑靴的整体受力情况，能够显著降低导向滑靴的磨损问题，进而延长导向滑靴的使用寿命。实践证明，优化改进后的导向滑靴使用寿命是优化之前的２倍以上。５结束语本文针对某传统型号采煤机导向滑靴进行了受力分析，发９６２李领采煤机导向滑靴的优化改进整体性和发电机长期运行的可靠性。３ ３工艺优化陈洪武等［６］通过对永磁直驱发电机结构设计和工艺方案的研究分析，提出了一些提高绝缘整体性和密封性的工艺改进措施，包括（１）加强线圈引线头绝缘；（２）改进焊接处绝缘包扎方式；（３）接头焊接台阶处做好适形填充；（４）引线根部及线圈鼻端加垫绝缘；（５）优化工艺并减少焊接时间；（６）线圈端部及端环补浇绝缘漆；（７）嵌线翻槽工艺优化等。此外，考虑ＶＰＩ工艺的重要性，采用二次浸漆，或者通过对真空／压力参数、滴漆时间、旋烘转速等参数的优化组合，提高ＶＰＩ工艺合理性也具有不错的效果。３ ４加强质量管控风力发电机产品制造过程尤其是ＶＰＩ浸漆过程中产生的质量缺陷，是造成产品绝缘故障比例偏高的主要因素之一。通过制定有效的验收方法和标准，如淋水／浸水试验等，可以及时暴露发电机绝缘的薄弱环节，是检验和控制产品质量分散性的有效手段。具体措施是试验用水加入非离子型润湿剂，然后定子按规定时间和次数间断淋水，或连续２ｈ浸水，使用兆欧表测试并记录样品的１ｍｉｎ绝缘电阻，淋水高于５００ＭΩ或浸水高于５０ＭΩ即为合格。４结束语由于装机运行环境恶劣及风资源的不稳定性，户外运行的风力发电机绝缘故障有其产品特殊性。本文通过调研，总结了风机运行时包括脉冲电压、潮湿、温度交变和盐雾在内的典型工况参数，分析了上述因素对发电机绝缘系统的影响和故障发展机理。在此基础上，针对绝缘薄弱环节，从材料选择、结构设计、工艺优化和质量管控等方面提出了一些优化改进建议。通过上述措施，可以一定程度提高质量缺陷的可探测性，降低绝缘缺陷产生的概率，确保了风力发电机的长期安全运行，并从绝缘角度进一步拓宽了风机产品的环境适应能力。参考文献［１］刘学忠，王放文，张天龙．５ＭＷ海上风力发电机绝缘系统的海洋环境模拟试验研究［Ｊ］．高压电器，２０１５（５）１４－１８．［２］陈洪武，陈红生，张亦黄．海洋大气中的风力发电机绝缘系统耐候性试验研究［Ｊ］．绝缘材料，２０１２（２）２３－２５．［３］刘学忠，钟力生．兆瓦级风力发电机绝缘的重复脉冲电老化寿命评定方法［Ｃ］／／２０１１中国电工技术学会学术年会，２０１１．［４］姜其斌，陈红生，衷敬和．变频电机用耐电晕绝缘材料的应用研究进展［Ｊ］．绝缘材料，２００７，４０（６）１９－２２．［５］张晓虹．基于非破坏性参量的大电机主绝缘多因子老化规律研究［Ｄ］．西安西安交通大学，２００１．［６］陈洪武，车三宏．基于防水性能的永磁直驱风力发电机绝缘结构［Ｊ］．电机与控制应用，２０１２，３９（６）３７－４２．［７］ＩＥＣ／ＴＳ６００３４－１８－３４２０００．ＲｏｔａｔｉｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭａｃｈｉｎｅ－ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＩｎｓｕｌａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ－ＴｅｓｔＰｒｏｃｅｄｕｒｅｓｆｏｒＦｏｒｍ－ｗｏｕｎｄＷｉｎｄｉｎｇｓ－ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＴｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｄｕｒａｎｃｅｏｆＩｎｓｕｌａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ［Ｓ］．［８］雷林璋，赵立，王杰．冷热冲击、浸水环境下直驱永磁风力发电机定子绝缘结构性能影响探究［Ｊ］．中国机械，２０１５（２３）６５－６６．［９］陈健，洪波，马贤好．风力发电机绝缘系统耐盐雾性能研究［Ｊ］．绝缘材料，２０１１，４４（５）４３－４５．第一作者简介刘军伟（１９８４－），男，硕士，工程师，研究领域为大型直驱永磁风力发电机设计开发。（上接第２６９页）现在极端受力情况下，后导向滑靴的最大应力值超过了材料允许的最大值。通过增加销轴孔倒角半径和耳板厚度，使得后导向滑靴的整体受力情况得到改善，最大应力值得到显著降低，且低于材料最大使用值，完全能够满足实际需要。通过对导向滑靴的优化改进，能够显著降低导向滑靴的磨损问题，进而延长导向滑靴的使用寿命。参考文献［１］郭豪杰．煤炭是保障国民经济持续较快发展的重要能源支撑煤炭工业壮丽７０年综合评述［Ｊ］．中国煤炭，２０１９，４５（１０）５－９．［２］谢和平．煤炭发展的未来之路［Ｊ］．当代矿工，２０１９（１１）１－５．［３］尹文杰．浅谈采煤机导向滑靴失效分析与改善措施［Ｊ］．中国石油和化工标准与质量，２０１９，３９（１７）１９５－１９６．［４］王杨峰．采煤机导向滑靴主要故障分析与改进［Ｊ］．机电工程技术，２０１９，４８（７）２３２－２３４．［５］张鑫，马德建，赵吉龙，等．采煤机行走机构齿销啮合特性分析［Ｊ］．煤矿机械，２０１９，４０（９）６９－７１．［６］赵晨毅．关于重型采煤机导向滑靴的结构特性研究［Ｊ］．机械管理开发，２０１９，３４（４）８１－８２．［７］乔森．采煤机导向滑靴的受力特性分析［Ｊ］．机械管理开发，２０１９，３４（８）１１１－１１２．［８］徐卫鹏．采煤机导向滑靴新材料的强度与耐磨性研究［Ｊ］．机械制造，２０１６，５４（１２）３９－４１．作者简介李领（１９８４－），男，河北冀州人，大学本科，工程师，研究领域为煤矿生产技术管理。（编辑王智圣）３８２刘军伟，等风力发电机绝缘失效原因及改进措施