礦用掘進機回轉臺使用過程中結構性能的研究

張俊杰

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦， 山西 方山 033100）

引言

回轉臺作為掘進機中的關鍵部件之一，其具有較好的結構性能對提高掘進機的生產效率至關重要。由于井下工作條件的惡劣性，加上回轉臺自身結構問題，導致其在使用過程中經常出現鉸接耳磨損嚴重、變形量過大、斷裂等故障，嚴重影響著掘進機的正常作業(yè)，開展掘進機回轉臺的結構性能研究十分必要[1]。

1 礦用掘進機主要故障的分析

回轉臺是掘進機中的關鍵組成部件之一，在使用過程中，主要與左右機架進行連接，負責對截割臂進行支撐，以實現懸臂的上下升降運動及360°旋轉作用。在此過程中，由于截割頭的各類參數均發(fā)生不同時刻的變化，導致回轉臺承受著來自截割頭的較大變載荷沖擊作用，而截割頭的轉速及擺速變化對回轉臺的影響更大[2]。由于回轉臺的結構性能變化，導致掘進機出現了不同類型的運行故障，具體如下：

1）掘進機在工作過程中，會產生較大機械振動和變載荷作用，若回轉臺長時間在此狀態(tài)下運行，將會出現支撐部疲勞受損，甚至突然出現裂紋現象；

2）回轉臺在設計及使用過程中，由于其結構強度和剛度的不足而出現變形或斷裂現象，導致掘進機的截割性能大大降低，甚至出現整體無法正常運轉的故障現象；

3）掘進機使用過程中，由于回轉臺上的油缸驅動壓力過大，導致掘進機整體出現了液體泄漏現象；

4）回轉臺上的銷軸由于長時間承受著較大程度的振動沖擊作用，導致其銷軸出現了磨損、變形等現象，影響著掘進機的運行穩(wěn)定性[3]。

2 回轉臺模型的建立

2.1 三維模型的建立

回轉臺在掘進機中主要起到支撐懸臂、截割部分的回轉、升降、前進等作用，其性能的好壞直接影響著掘進機運行的可靠性和工作效率。因此，結合掘進機回轉臺的結構特點，采用PROE軟件，建立了包含轉盤、回轉孔、連接銷軸孔等特征在內的回轉臺初步模型；為使回轉臺的仿真結果與實際使用情況更加吻合，提高仿真結果精度，對回轉臺上的倒角、圓角、圓孔等進行了模型簡化，省略了銷軸上的非關鍵特征。由此，建立了回轉臺的三維模型，如圖1所示。

圖1 掘進機回轉臺三維模型

2.2 仿真模型的建立

結合建立的回轉臺三維模型，根據其實際結構材料，將回轉臺的仿真模型設置為了40Cr材料，其材料的主要屬性參數如表1所示。同時，采用QBQUAS軟件，采用了四面體網格，將網格大小設置為20 mm，誤差設置為2 mm，完成回轉臺的網格劃分。根據回轉臺的實際使用情況，截割臂對其鉸接孔處將產生70 kN大小的作用力，降油缸將對回轉臺鉸接孔產生100 kN左右的作用力，因此，將此作用力施加在回轉臺上，并對其進行邊界條件設置，完成了回轉臺仿真模型的建立，如下頁圖2所示。

表1 回轉臺材料的主要參數

圖2 掘進機回轉臺仿真模型圖

3 回轉臺結構性能的分析

3.1 應力變化的分析

通過回轉臺的仿真分析，得到了其應力變化圖，如圖3所示。由圖可知，回轉臺在整體出現了應力分布不均勻現象，并出現了應力集中現象；其中，在回轉臺的前端左右銷軸耳、中部的定位固定槽及后部的升降油缸鉸接耳等部位應力相對較大，但應力值均在材料的屈服強度范圍里；而在其中部的前后兩端及后支腿上應力相對較低。分析其原因為截割臂在作業(yè)過程中對回轉臺的鉸接耳處產生了較大的動態(tài)載荷作用，這與回轉臺的實際使用情況基本吻合。此現象將導致回轉臺鉸接耳處在使用過程中率先出現變形、斷裂等故障，影響著掘進機的使用安全，因此，需對這些部位進行結構優(yōu)化[4]。

3.2 結構位移變化的分析

通過掘進機的仿真分析，得到了其結構位移變化圖，如圖4所示。由圖可知，回轉臺整體出現了不同程度的結構變形，其中，后端升降油缸鉸接耳處的變形量最大，并延連接臂向前端呈逐漸減小的變化趨勢；而在截割部與回轉臺連接的鉸接耳處也出現了較大程度的結構變形，且外出鉸接耳變形大于內側；回轉臺的中部及前端變形量則相對較小。出現此現象的原因同樣為在升降油缸及截割部作業(yè)過程中，對回轉臺鉸接處產生了較大載荷作用。在回轉臺使用過程中，這些部位最為薄弱，極易可能率先出現變形、斷裂等故障。因此，對回轉臺的結構剛度需進一步進行加強[5]。

圖3 回轉臺應力變化圖

圖4 回轉臺結構位移變化圖

4 回轉臺結構的改進

結合回轉臺的仿真結果分析，回轉臺的后端升降油缸鉸接耳處、截割部鉸接耳等位置均出現了較大程度的應力集中及結構變形現象，在使用過程中極易發(fā)生變形、斷裂等故障，影響著掘進機的工作效率，因此需對回轉臺進行結構改進。

1）在回轉臺鉸接耳、中部連接槽等應力集中部位周邊開設直徑較小的圓孔，可將集中的應力進行轉移，改變回轉臺上的應力集中現象；

2）對回轉臺后端升降油缸鉸接耳處進行加強，增加鉸接耳的厚度及銷孔尺寸，或在現有鉸接耳外界焊接加強材料，以提高此處的結構剛度；

3）對連接臂及截割部鉸接耳處進行結構加強，增強其材料厚度，可減小在此處的結構變形；

4）對回轉臺的使用情況進行定期維護保養(yǎng)，保證鉸接孔處的潤滑性，針對出現的故障問題，應及時進行維護更換。