160型薄煤層掘進機回轉(zhuǎn)耳架的靜力學有限元分析

張睿

(中國煤炭科工集團 太原研究院, 山西 太原 030006)

0 引言

回轉(zhuǎn)耳架位于掘進機機架與截割機構(gòu)之間，是掘進機上不可或缺的連接部件，同時也是截割機構(gòu)的重要支撐部件。截割機構(gòu)通過回轉(zhuǎn)耳架實現(xiàn)上下擺動、左右回轉(zhuǎn)等操作，承受著來自截割機構(gòu)復雜交變的沖擊載荷及傾覆力矩[1]。研究人員對不同工況下的回轉(zhuǎn)耳架進行受力分析，找到受力薄弱點，這將為掘進機回轉(zhuǎn)耳架的設(shè)計提供更加全面扎實的理論依據(jù)，從而指導相關(guān)回轉(zhuǎn)耳架模型的建立。

1 回轉(zhuǎn)耳架受力工況分析

1.1 回轉(zhuǎn)耳架結(jié)構(gòu)組成

復雜多變的地質(zhì)條件和惡劣閉塞的工作環(huán)境，是掘進機所在巷道及工作場地的主要特點；而且掘進機截割機構(gòu)在截割硬巖時，會引發(fā)整機猛烈振動，機器容易發(fā)生失穩(wěn)等狀況。因此，保證回轉(zhuǎn)耳架底部與掘進機前機架連接強度具備較高的可靠性很有必要。

160型薄煤層掘進機的回轉(zhuǎn)機構(gòu)由回轉(zhuǎn)部分(回轉(zhuǎn)耳架)與固定部分(回轉(zhuǎn)支承)共同組成。首先由回轉(zhuǎn)支承通過54條M20螺栓與焊接在前機架上的回轉(zhuǎn)底座連接，之后通過46條M20的螺栓與回轉(zhuǎn)耳架連接組成。這種連接方式具有以下優(yōu)點：

1) 具有足夠的強度、剛度。

2) 具有抵抗較高沖擊載荷的性能。

3) 方便拆裝與搬運。

1.2 回轉(zhuǎn)耳架的普遍工況

回轉(zhuǎn)耳架的兩種最普遍的工況是左右擺動截割工況及上下俯仰截割工況。

2 基于SolidWorks對回轉(zhuǎn)耳架力學性能進行比較

2.1 截割臂左右擺動截割回轉(zhuǎn)耳架的受力情況

圖1為截割頭從右向左擺動的受力分析圖。

圖1 截割頭從右向左擺動的受力分析圖

根據(jù)受力平衡可得：

F1×L1+F2×L2=Ft×Lt

(1)

式中：F1為左側(cè)油缸的拉力;F2為右側(cè)油缸的推力；Ft為截割牽引力；L1、L2、Lt為各力的力臂。

液壓缸的拉力為：

F1=P×π[(D/2)2-(d/2)2]

(2)

式中：P為油缸壓力；D為油缸內(nèi)徑；d為活塞桿直徑。

液壓缸的推力為：

F2=P×π(D/2)2

(3)

通過油缸選型和數(shù)據(jù)測量，160型薄煤層掘進機在中位時切割牽引力最大，得到以下數(shù)值：P=25 MPa,D=180 mm,d=110 mm,Lt=3 615 mm,L1=L2=898 mm。

將式(2)和式(3)代入式(1)中求得：Ft=256.9 kN。

將以上數(shù)據(jù)代入到SolidWorks有限元分析軟件中進行仿真運行應(yīng)用，得到回轉(zhuǎn)耳架在左右擺動截割工況下的應(yīng)力云圖和變形云圖，分別如圖2和圖3所示?；剞D(zhuǎn)耳架上的最大應(yīng)力是147.5 MPa，位于截割回轉(zhuǎn)油缸耳架與回轉(zhuǎn)耳架連接焊縫位置?；剞D(zhuǎn)耳架上的最大形變量是0.38 mm，位于回轉(zhuǎn)耳架與截割回轉(zhuǎn)油缸連接位置。

2.2 截割臂上下俯仰截割回轉(zhuǎn)耳架的受力情況

圖4為截割頭從下到上截割的受力分析圖。

根據(jù)受力平衡可得：

2×F2×L2=Ft×Lt+G×L0

(4)

式中：F2為截割升降油缸推力;G為截割機構(gòu)的重力；L2、L0為上下擺下擺動時各力的力臂。

圖2 回轉(zhuǎn)耳架在左右擺動截割工況下的應(yīng)力分布云圖

圖3 回轉(zhuǎn)耳架在左右擺動截割工況下的變形分布云圖

圖4 截割頭從下到上截割的受力分析圖

通過油缸選型和數(shù)據(jù)測量，160型薄煤層掘進機在中位時切割牽引力最大，得到以下數(shù)值：F2=635.85 kN，L2=494 mm，G=mg=68.75 kN，L0=1 195 mm。求得Ft=151.10 kN

將以上數(shù)據(jù)代入SolidWorks有限元分析軟件中仿真運行應(yīng)用，得到回轉(zhuǎn)耳架在上下俯仰截割工況下的應(yīng)力云圖和變形云圖，分別如圖5和圖6所示。回轉(zhuǎn)耳架上的最大應(yīng)力是 159.7 MPa，位于回轉(zhuǎn)中心和加強筋附近?；剞D(zhuǎn)耳架上的最大形變量是2.22 mm，位于回轉(zhuǎn)耳架前端。

圖5 回轉(zhuǎn)耳架在上下俯仰截割工況下的應(yīng)力分布云圖

圖6 回轉(zhuǎn)耳架在上下俯仰截割工況下的變形分布云圖

2.3 靜力學結(jié)果校核

2.3.1 兩種普遍工況下的結(jié)果分析

1) 兩種普遍工況下，找到掘進機回轉(zhuǎn)耳架部件上單位面積上受力最大的位置:左右擺動截割工況下最大應(yīng)力集中處于截割回轉(zhuǎn)油缸耳架與回轉(zhuǎn)耳架連接焊縫位置；上下俯仰截割工況下最大應(yīng)力集中處于回轉(zhuǎn)中心和加強筋附近。

2) 兩種普遍工況下，回轉(zhuǎn)耳架的最大應(yīng)力均未超出合理范圍：左右擺動截割工況下回轉(zhuǎn)耳架的最大應(yīng)力為 147.5 MPa；上下俯仰截割工況下回轉(zhuǎn)耳架的最大應(yīng)力為159.7 MPa。而回轉(zhuǎn)耳架的制造材料選用的是Q345鋼材，從而驗證了160型薄煤層掘進機所選的回轉(zhuǎn)耳架符合其承載強度要求。

3) 兩種普遍工況下，回轉(zhuǎn)耳架的最大形變程度均未超出合理范圍，說明回轉(zhuǎn)耳架的剛度滿足設(shè)計要求。

2.3.2 強度、剛度校核

Q345鋼是160型薄煤層掘進機回轉(zhuǎn)耳架選用的主要材料。通過查閱相關(guān)資料了解到，σb=600 MPa為Q345鋼的最大抵抗拉伸的強度。在本次關(guān)于回轉(zhuǎn)耳架的強度校核當中，選用的安全系數(shù)為n=2?；剞D(zhuǎn)耳架的許用應(yīng)力計算如下：

(5)

(6)

式中：[σ]為基材、對接焊縫的彎曲、拉伸許用應(yīng)力，MPa；[τ]為基材、角焊縫的剪切許用應(yīng)力,MPa。

回轉(zhuǎn)耳架的最大形變處于油缸與回轉(zhuǎn)耳架連接部位，其許用撓度計算如下：

(7)

式中：l為油缸耳架與回轉(zhuǎn)耳架連接跨度，mm；[ω]為回轉(zhuǎn)耳架的許用撓度，mm。

在兩種普遍工況下，回轉(zhuǎn)耳架的應(yīng)力、形變結(jié)果，如表1所示。

表1 典型工況下回轉(zhuǎn)耳架的應(yīng)力、變形結(jié)果

3 結(jié)論

1) 利用SolidWorks Simulation進行建模與有限元模擬仿真分析，高效生成不同工況下回轉(zhuǎn)耳架的應(yīng)力及形變云圖，得到了回轉(zhuǎn)耳架的應(yīng)力最大、形變最大位置。

2) 通過直觀的圖表形式表達出對回轉(zhuǎn)耳架強度、剛度的校核，符合設(shè)計使用要求。

3) 目前我院160型薄煤層掘進機回轉(zhuǎn)耳架均采用焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計，其機構(gòu)具有穩(wěn)定性好、生成周期短、成本低等優(yōu)點。當截割臂左右擺動時，應(yīng)力主要集中在回轉(zhuǎn)耳架回轉(zhuǎn)油缸耳板附近。考慮到盡可能避免增加回轉(zhuǎn)耳架的質(zhì)量，可以選擇強度和焊接性能更好的貼板，或者在空間容許的范圍內(nèi)增加貼板的厚度，用于解決此問題。當截割臂上下擺動時，應(yīng)力主要集中在回轉(zhuǎn)中心和加強筋附近。對這部分選用更加厚實的筋板，或者選擇強度和焊接性能更好的材料，會對解決當前狀況有所幫助。