不同工況下EBZ160型懸臂式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

張 強(qiáng)

（山西泰寶科技有限公司，山西 原平 034114）

引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，保障其設(shè)備及關(guān)鍵部件的綜合性能，是提高煤礦開采效率的關(guān)鍵[1]。由于掘進(jìn)機(jī)中截割頭在煤礦開采中會(huì)受到較大的外界沖擊載荷作用，加上井下環(huán)境的惡劣型，所開采煤層的地質(zhì)硬度各不相同，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)整體受到較大無規(guī)律沖擊載荷作用，出現(xiàn)了截割頭磨損嚴(yán)重、回轉(zhuǎn)臺(tái)變形、回轉(zhuǎn)臺(tái)不靈敏、油缸漏油等異常故障問題[2]。其中，回轉(zhuǎn)臺(tái)作為掘進(jìn)機(jī)中的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)中銷軸部件由于長時(shí)間承受著較大程度的振動(dòng)沖擊作用，導(dǎo)致其銷軸出現(xiàn)了磨損、變形等現(xiàn)象，影響著掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，選取EBZ160型懸臂式掘進(jìn)機(jī)中回轉(zhuǎn)臺(tái)為分析對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)在不同工況條件下的結(jié)構(gòu)性能展開研究，提出了回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的措施。

1 掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成分析

懸臂式掘進(jìn)機(jī)是煤礦中常見的煤礦開采設(shè)備，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的布局方式不同，可將其分為橫軸式和縱軸式類型，根據(jù)巷道中單軸的抗壓強(qiáng)度的不同，可將其分為半煤巖和硬巖型掘進(jìn)機(jī)，但其結(jié)構(gòu)組成基本相同，以EBZ160型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)主要由截割頭、截割臂、升降油缸、回轉(zhuǎn)臺(tái)、回轉(zhuǎn)油缸、行走部、液壓系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等部分組成[3]，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，可適應(yīng)煤巖硬度f≤8的工作面開采任務(wù)。具有操作靈活、維修方便、支護(hù)性能優(yōu)等特點(diǎn)。其中，截割頭結(jié)構(gòu)主要包括圓錐臺(tái)形，作業(yè)時(shí)直接與煤巖進(jìn)行接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖的開采破壞作用[4]?；剞D(zhuǎn)臺(tái)是整個(gè)掘進(jìn)機(jī)的支撐部件，主要通過內(nèi)部的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的360°回轉(zhuǎn)作業(yè)，其結(jié)構(gòu)通過鑄造進(jìn)行加工生產(chǎn)[5]，與掘進(jìn)機(jī)本體架進(jìn)行連接，有效提高該部件作業(yè)時(shí)的綜合性能成為當(dāng)前亟待解決問題。

圖1 EBZ160型懸臂式掘進(jìn)即結(jié)構(gòu)示意圖

2 回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 三維模型建立

根據(jù)EBZ160型懸臂式掘進(jìn)機(jī)中回轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照1∶1的模型比例，采用SolidWorks軟件，開展了回轉(zhuǎn)臺(tái)的三維模型建立。在建模過程中，為提高回轉(zhuǎn)臺(tái)的分析速度及精度，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)中的倒角、圓角、較小圓孔、螺紋等特征進(jìn)行模型簡化[6]，考慮回轉(zhuǎn)臺(tái)中的焊縫質(zhì)量及焊接高度等因素，建立了包含截割頭鉸接耳、油缸鉸接耳、回轉(zhuǎn)支撐孔等部位，三維示意圖如圖2所示。

2.2 工況狀態(tài)確定

為分析回轉(zhuǎn)臺(tái)在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能，確定了兩種工況作為分析環(huán)境。

2.2.1 工況一

圖2 回轉(zhuǎn)臺(tái)三維示意圖

工況一環(huán)境主要是截割頭分布在下極限位置進(jìn)行煤礦截割的作業(yè)工況，其水平角為28°，俯仰角為-26°，此時(shí)，左回轉(zhuǎn)油缸行程達(dá)到650 mm，右油缸處于壓縮狀態(tài)，如圖3所示。

2.2.2 工況二

工況一環(huán)境主要是截割頭分布在上極限位置進(jìn)行煤礦截割的作業(yè)工況，其水平角為-28°，俯仰角為26°，此時(shí)，右回轉(zhuǎn)油缸行程達(dá)到650 mm，左油缸處于壓縮狀態(tài)，如圖4所示。

圖3 掘進(jìn)機(jī)工況一條件

圖4 掘進(jìn)機(jī)工況二條件

2.3 仿真模型建立

將所建立的掘進(jìn)機(jī)模型保存為x_t格式后，導(dǎo)入至ABAQUS軟件中，對(duì)其進(jìn)行仿真模型建立。在軟中，將其材料設(shè)置為Q235，其屈服強(qiáng)度為235 MPa，彈性模量為206 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.28[7]。同時(shí)，采用了實(shí)體單元類型，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm。在載荷施加上，對(duì)工況一和工況二條件下均施加回轉(zhuǎn)方向載荷62 000 N，并對(duì)截割頭鉸接處進(jìn)行了綁定（tie）固定約束。由此，完成了回轉(zhuǎn)臺(tái)的仿真模型建立。

3 不同工況下回轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 工況一下結(jié)構(gòu)性能分析

通過仿真分析，得到了回轉(zhuǎn)臺(tái)在工況一下的應(yīng)力變化圖，如圖5所示。由圖可知，回轉(zhuǎn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，大部分應(yīng)力集中在中部回轉(zhuǎn)支撐處，最大應(yīng)力值為297.52 MPa，未超過其材料的屈服強(qiáng)度235 MPa，沿著回轉(zhuǎn)臺(tái)的左右方向，應(yīng)力值呈逐漸減小的變化趨勢，左側(cè)油缸鉸接耳處應(yīng)力也相對(duì)較高。分析其原因：回轉(zhuǎn)臺(tái)在回轉(zhuǎn)過程中，由于左側(cè)偏心作用，導(dǎo)致其中部區(qū)域受到的應(yīng)力值相對(duì)較大?；剞D(zhuǎn)臺(tái)在此工況下將極可能率先在中部區(qū)域出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或開裂等失效現(xiàn)象，故需對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，以保證其結(jié)構(gòu)的綜合性能。

3.2 工況二下結(jié)構(gòu)性能分析

通過仿真模型，得到了回轉(zhuǎn)臺(tái)在工況二下的應(yīng)力圖，如圖6所示。由圖可知，回轉(zhuǎn)臺(tái)在此工況下也呈現(xiàn)出了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，較大應(yīng)力分布情況比工況一范圍更大，最大應(yīng)力值為212.62 MPa，未超過材料的屈服強(qiáng)度235 MPa，也分布在中部回轉(zhuǎn)支撐處。左端截割頭鉸接耳處、油缸鉸接耳及左端平臺(tái)連接孔等區(qū)域也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但相對(duì)較小?；剞D(zhuǎn)臺(tái)的左右兩側(cè)應(yīng)力也呈不對(duì)稱分布，且右側(cè)應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，此趨勢與工況一條件下基本相同。為此，有必要對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

圖5 工況一下回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力變化圖

圖6 工況二下回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力圖

4 回轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上文分析可知，回轉(zhuǎn)臺(tái)的中部回轉(zhuǎn)支撐處是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，若不對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，將在其長時(shí)間的作業(yè)中率先發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或開裂等失效現(xiàn)象，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為此，提出了幾點(diǎn)回轉(zhuǎn)臺(tái)改進(jìn)措施。

1）將回轉(zhuǎn)臺(tái)的材料改為屈服強(qiáng)度更高的材料，如Q345材料，使其屈服材料提高至345 MPa，以提高其結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

2）在回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)加工時(shí)，對(duì)其中部回轉(zhuǎn)支撐處進(jìn)行調(diào)質(zhì)淬火等熱加工處理，并對(duì)上表面的進(jìn)行精加工處理，表面粗糙度控制在0.15，由此，可提高此部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

3）對(duì)中部回轉(zhuǎn)支撐處、回轉(zhuǎn)臺(tái)截割頭及油缸鉸接耳應(yīng)力集中區(qū)域開設(shè)較小孔徑的圓孔，直徑為2 mm，可使集中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至小孔處，緩解結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

4）對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)上結(jié)構(gòu)磨損情況、潤滑情況及結(jié)構(gòu)開裂等情況進(jìn)行定期檢查及保養(yǎng)，保證回轉(zhuǎn)臺(tái)具有更好的結(jié)構(gòu)性能，若某部位出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，需及時(shí)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)及維修，以保證回轉(zhuǎn)臺(tái)及掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)效率。