掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化改進(jìn)研究

吳成亮

（晉能集團(tuán)昊興塬煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041200）

引言

EBZ220SZD800/11G 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)具有穩(wěn)定性好、操作過(guò)程簡(jiǎn)便、工作可靠性高、截齒損耗率低、適于高硬度切割等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)煤礦巷道掘進(jìn)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛[1-3]。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作為掘進(jìn)機(jī)的組成部分，是截割機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下左右運(yùn)動(dòng)的重要支撐，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由回轉(zhuǎn)臺(tái)、底座等結(jié)構(gòu)件組成，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)工作可靠性要求較高[4]?；剞D(zhuǎn)臺(tái)服役條件較為苛刻，采用靜態(tài)、經(jīng)驗(yàn)等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，結(jié)果準(zhǔn)確性較差，而現(xiàn)代仿真技術(shù)的應(yīng)用，能夠大大提高了結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)效率，保證結(jié)構(gòu)件的性能滿足工作環(huán)境的要求[5-6]。因此采用有限元仿真方法對(duì)掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找出強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)具有重要的意義。

1 掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)的功能及問(wèn)題

回轉(zhuǎn)臺(tái)是懸臂式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，同時(shí)連接掘進(jìn)機(jī)機(jī)架以及掘進(jìn)臂，支撐著掘進(jìn)臂實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、擺動(dòng)、升降等各種姿態(tài)的變化，保證截割機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤巖的鉆孔掏槽、掃落等功能，其工作可靠性對(duì)掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)功能具有不可替代的作用，必須引起高度重視。但是煤炭掘進(jìn)工作面的環(huán)境較為惡劣，回轉(zhuǎn)臺(tái)工作過(guò)程中不僅受到腐蝕氣體、潮濕等侵蝕，在截割機(jī)構(gòu)進(jìn)行割煤巖時(shí)，由于煤巖地質(zhì)條件的變化導(dǎo)致回轉(zhuǎn)臺(tái)還要承受極其復(fù)雜的沖擊振動(dòng)載荷，最大振幅下回轉(zhuǎn)臺(tái)的強(qiáng)度及變形是設(shè)計(jì)工作中必須考慮的問(wèn)題。結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)掘煤過(guò)程中掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)常見(jiàn)的故障是絞耳位置撕裂。

2 回轉(zhuǎn)臺(tái)仿真分析

2.1 模型的建立

根據(jù)EBZ220SZD800/11G 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)的工程圖紙，運(yùn)用Pro/E5.0 三維繪圖軟件完成了回轉(zhuǎn)臺(tái)模型的建立，其中為了保證后續(xù)有限元仿真分析的準(zhǔn)確性，提高仿真計(jì)算的效率，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，忽略了對(duì)分析結(jié)果影響較小的倒角、螺栓孔等。另存為.igs 格式文件之后導(dǎo)入ANSYS 仿真分析軟件進(jìn)行材料屬性的設(shè)置，其材料牌號(hào)為Q345，其彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.27，抗拉強(qiáng)度為470 MPa，屈服強(qiáng)度為345 MPa，密度為7.85×103kg/m3。完成回轉(zhuǎn)臺(tái)模型材料屬性的設(shè)置之后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，選擇C3D8R 四面體類型單元，為了更好地觀察回轉(zhuǎn)臺(tái)耳架在工作過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，劃分網(wǎng)格時(shí)整體的單元格邊長(zhǎng)為4 mm，對(duì)耳架位置進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化，單元格邊長(zhǎng)為1 mm，劃分網(wǎng)格之后的回轉(zhuǎn)臺(tái)模型如圖1 所示。

圖1 回轉(zhuǎn)臺(tái)模型網(wǎng)格劃分

2.2 工況分析與載荷設(shè)置

懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中，主要通過(guò)旋轉(zhuǎn)的截割頭按照設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡完成煤巖的掘進(jìn)，運(yùn)動(dòng)軌跡通常為由下到上同時(shí)左右擺動(dòng)。掘進(jìn)機(jī)具體工作流程如下：截割頭首先對(duì)煤巖進(jìn)行定位截割，之后沿設(shè)計(jì)軌跡截割煤巖，直到斷面達(dá)到巷道端面要求即完成掘進(jìn)過(guò)程的一個(gè)循環(huán)；之后前移掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入下一循環(huán)，由此可見(jiàn)掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中以左右橫擺和上下升降工況為主。結(jié)合煤礦中煤巖的地質(zhì)條件，計(jì)算得到掘進(jìn)機(jī)左右橫擺過(guò)程中的最大載荷約為35 t，上下升降過(guò)程中的最大載荷約為40 t，基于此完成回轉(zhuǎn)臺(tái)仿真工作載荷的設(shè)置。

2.3 仿真結(jié)果

檢測(cè)回轉(zhuǎn)臺(tái)模型的材料屬性、網(wǎng)格劃分、約束與載荷等前期處理工作全部完成之后啟動(dòng)ANSYS 仿真軟件自帶求解器進(jìn)行仿真計(jì)算，之后提取回轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D進(jìn)行分析。由于回轉(zhuǎn)臺(tái)工作過(guò)程中交替承受左右回?cái)[載荷與上下升降載荷，因此分別完成了回轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)力、應(yīng)變分析，仿真結(jié)果如圖2、圖3、圖4、圖5 所示。

由圖2 可以看出回轉(zhuǎn)臺(tái)最大應(yīng)力值為251 MPa，其位置出現(xiàn)在側(cè)面耳架的連接孔位置，說(shuō)明回轉(zhuǎn)臺(tái)的左右回?cái)[載荷主要由側(cè)面耳架承受，但其最大應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度σs=345 MPa，工作過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)破壞失效事故。由圖3 可以看出回轉(zhuǎn)臺(tái)最大應(yīng)力值為293 MPa，其位置出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)臺(tái)升降絞耳位置，說(shuō)明回轉(zhuǎn)臺(tái)上下升降載荷主要由升降絞耳承受，其最大應(yīng)力值小于材料的屈服強(qiáng)度σs=345 MPa，但與材料的屈服強(qiáng)度較為接近，因此該位置是回轉(zhuǎn)臺(tái)工作過(guò)程中極易出現(xiàn)破壞的薄弱環(huán)節(jié)。

圖2 回?cái)[載荷回轉(zhuǎn)臺(tái)等效應(yīng)力（Pa）云圖

圖3 升降載荷回轉(zhuǎn)臺(tái)等效應(yīng)力（Pa）云圖

圖4 回?cái)[載荷回轉(zhuǎn)臺(tái)等效應(yīng)變（m）云圖

圖5 升降載荷回轉(zhuǎn)臺(tái)等效應(yīng)變（m）云圖

由圖4 可以看出回轉(zhuǎn)臺(tái)最大應(yīng)變值為0.127 mm，其出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)臺(tái)升降絞耳位置，除此之外，側(cè)面耳架、回轉(zhuǎn)絞耳、中心孔位置均存在一定程度的應(yīng)變。由圖5 可以看出回轉(zhuǎn)臺(tái)最大應(yīng)變值為0.298 mm，其出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)臺(tái)升降絞耳位置，除此之外，回轉(zhuǎn)絞耳、中心孔位置均存在一定程度的應(yīng)變。由此可見(jiàn)，只要回轉(zhuǎn)臺(tái)承受載荷，其最大應(yīng)變值就會(huì)出現(xiàn)在升降絞耳位置。

3 回轉(zhuǎn)臺(tái)優(yōu)化改進(jìn)

回轉(zhuǎn)臺(tái)工作的可靠性直接關(guān)系著整個(gè)掘進(jìn)機(jī)的工作效率及安全，必須根據(jù)實(shí)際工作情況對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，以提高回轉(zhuǎn)臺(tái)的整體強(qiáng)度，降低工作過(guò)程中的變形量，保證回轉(zhuǎn)臺(tái)可靠工作。結(jié)合筆者多年的工作經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的措施包括：第一是在不影響回轉(zhuǎn)臺(tái)工作性能的前提下，增加升降絞耳的厚度；第二是在升降絞耳的側(cè)面增加三角筋板；第三是增大升降絞耳與過(guò)渡圓弧的圓角半徑，降低應(yīng)力集中；第四是增加升降絞耳根本的圓角半徑，降低應(yīng)力集中。其中考慮改進(jìn)工作的可操作性，此處改進(jìn)優(yōu)化工作選擇增加升降絞耳的厚度的方法。

當(dāng)前回轉(zhuǎn)臺(tái)升降絞耳的厚度值為15 mm，為了更好地觀察升降絞耳厚度對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)最大應(yīng)力、最大應(yīng)變的影響，設(shè)計(jì)以下5 組升降絞耳厚度值進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，分別為18 mm、22 mm、25 mm、28 mm、30 mm。修改回轉(zhuǎn)臺(tái)仿真計(jì)算模型中升降絞耳的厚度值，之后在相同工作載荷作用下完成改進(jìn)回轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)力、應(yīng)變的分析計(jì)算，觀察統(tǒng)計(jì)回轉(zhuǎn)臺(tái)升降絞耳位置的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值，如下頁(yè)表1 所示。隨著升降絞耳厚度的增大，回轉(zhuǎn)臺(tái)承受擺動(dòng)載荷時(shí)的最大應(yīng)力基本未變，維持在250 MPa 左右，回轉(zhuǎn)臺(tái)承受升降載荷時(shí)的最大等效應(yīng)力越來(lái)越小，說(shuō)明升降絞耳厚度的增加可以有效降低回轉(zhuǎn)臺(tái)工作過(guò)程中的最大應(yīng)力值，提高回轉(zhuǎn)臺(tái)的工作安全性和可靠性；隨著升降絞耳厚度的增大，回轉(zhuǎn)臺(tái)承受擺動(dòng)載荷時(shí)的最大應(yīng)變逐漸減小，當(dāng)升降絞耳厚度達(dá)到30 mm 時(shí)最大應(yīng)變值接近0 mm，回轉(zhuǎn)臺(tái)承受升降載荷時(shí)的最大應(yīng)變變化趨勢(shì)與其一致。綜合考慮回轉(zhuǎn)臺(tái)的最大應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)增重情況，優(yōu)化后的升降絞耳厚度選擇28 mm。

表1 回轉(zhuǎn)臺(tái)升降絞耳位置的應(yīng)力、應(yīng)變統(tǒng)計(jì)

4 應(yīng)用效果

通過(guò)在原有升降絞耳外側(cè)焊接厚度13 mm 的鋼板，完成升降絞耳厚度的改進(jìn)優(yōu)化。改進(jìn)優(yōu)化之后的回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)，跟蹤記錄掘進(jìn)機(jī)工作期間，回轉(zhuǎn)臺(tái)工作可靠，未出現(xiàn)升降絞耳撕裂的故障，由此可見(jiàn)，回轉(zhuǎn)臺(tái)的改進(jìn)效果顯著，大大提高了回轉(zhuǎn)臺(tái)的工作安全性和可靠性，保證了掘進(jìn)機(jī)的正常工作運(yùn)行，為企業(yè)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)EBZ220SZD800/11G 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行有限元分析發(fā)現(xiàn)在升降載荷作用下回轉(zhuǎn)臺(tái)的升降絞耳位置存在應(yīng)力集中，接近材料的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致升降絞耳容易出現(xiàn)撕裂故障。分析得到隨著升降絞耳厚度的增加，回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力集中得到改善，變形應(yīng)變減小，確定了升降絞耳的最佳厚度為28 mm。實(shí)踐結(jié)果表明回轉(zhuǎn)臺(tái)升降絞耳的優(yōu)化改進(jìn)取得了較為顯著的效果，提高了其工作的可靠性。