掘進機回轉耳架的設計與分析

冀俊偉JI Jun-wei

（中煤科工集團太原研究院，太原030006）

（Taiyuan Research Institute of China Coal Technology&Engineering Group，Taiyuan 030006，China）

0 引言

回轉耳架是掘進機工作時的主要受力部件之一，它承受著截割過程中上下截割和左右擺動截割巨大的沖擊力，因此回轉耳架的可靠性影響著整機的性能，部分回轉耳架采用鑄造結構，但是鑄造存在氣孔、縮孔、砂眼、澆不到等缺陷，影響使用壽命，有時會造成耳架斷裂等現象，本文鑄造回轉耳架存在的缺點，設計了焊接機構的回轉耳架，并對其進行了力學特性分析。

1 回轉耳架的功能及設計要求

由于掘進機主要是擺動截割和上下截割，因此在設計回轉耳架及其連接部件時要保證其工作機構能夠正常工作，并且與其他部件不發(fā)生干涉，因此回轉耳架合理的結構設計以及鉸點優(yōu)化計算相當重要。此外，掘進機受力比較復雜，工況比較惡劣，而且整機振動大，尤其是在截割巖石的過程中，整機會出現劇烈的抖動，有時還有可能出現失穩(wěn)的現象，作為連接掘進機工作機構截割懸臂和機架的回轉耳架，承受著相當大的載荷，而且傾覆力矩極大，因此首先要保證回轉耳架與其他部件的連接部位強度，如回轉耳架底部與回轉支承通過螺栓相連接，必須保證在最惡劣的工況下螺栓及其連接部位不被損壞，其次應保證內部結構的合理，不出現應力集中等。因此在設計時的具體要求：①該耳架及其連接結構應實現左右回轉和上下擺動。②具有足夠的強度剛度和抗沖擊能力。③應力分布均勻，不要出現應力突變。

2 回轉耳架力學分析的三維實體建模

在建模過程中，為了便于分析計算，對與回轉耳架相連接的截割機構及油缸進行了簡化，截割懸臂簡化為圓柱體與圓錐的組合，叉形架減少了不必要的圓角與螺紋孔，油缸簡化為二力桿，截割懸臂與叉形架相貼合，回轉耳架一端與叉形架交接，另一端與簡化的油缸相鉸接。由于要對回轉耳架進行受力分析，因此對回轉耳架的各個焊接板的相對位置和厚度必須準確，三維模型如圖1所示。

圖1 力學分析三維模型

3 回轉耳架的力學計算

3.1 回轉耳架的受力分析 在實際截割過程中，回轉耳架受到上下和左右的截割力，本文只計算在上下截割過程中截割力對回轉耳架對回轉耳架的影響，中部承受G=12噸垂直向下載荷，前端承受Fs=20噸向左載荷，前端承受繞中心線67000N·m的扭矩。

圖2 載荷示意圖

3.2 力學模型的建立 由于截割懸臂并不屬于關注部分，只作為加載使用，為了縮減分析計算規(guī)模，應用遠端加載的方式替代截割懸臂部分的加載功能即可，在截割懸臂前部的截割頭的載點應用遠程載荷方式創(chuàng)建用于加載的剛性梁部件，然后定定義各零部件的材料及其物理屬性。分析模型采用的材料基本參數均按通用鋼材選擇：彈性模量200GPa，泊松比0.3。分析模型的節(jié)點數量為167328個，單元數量為252098個。分析類型：線性材料模型靜力分析。在該結構中，存在六個銷軸連接孔，因此應用分析軟件中的銷軸連接方式完成連接。在約束與載荷加載及材料定義完成后，對其進行網格劃分，對于有些部件網格劃分困難時，可采用網格控制功能，對某些元部件細化網格。創(chuàng)建了銷軸連接和加載剛性梁后的模型如圖3所示。

圖3 劃分網格后模型圖

網格劃分完成后，進行運行計算，所得到的結果如圖4所示：從圖中可以看出，應力最大部位在與叉形架連接的耳板的根部，最大值為264兆帕，為了降低該處的應力，對回轉耳架的內部結構作了改動，增加了如圖7所示的一塊筋板，重新分析后，最大處受力降低到244兆帕。

圖4 加筋板前應力圖

圖5 加筋板前結構

4 結語

本文通過對回轉耳架的功能和設計要求進行了分析，完成了該結構力學模型的建立，以及力學計算分析，確定了回轉耳架在給定載荷下的應力，并且通過結構改進，降低了最大應力，為以后掘進機焊接回轉耳架的設計提供了依據。

圖6 加筋板前應力圖

圖7 加筋板后結構

[1]吳宗澤.高等機械設計[M].北京：清華大學出版社，1991.

[2]周開勤主編.機械零件手冊[M].北京：高等教育出版社，1994.

[3]王正華，吳翠艷.掘進機技術的發(fā)展[J].選煤技術，2006（S1）.