掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)有限元分析

王 佳

（中煤平朔工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西朔州036000）

0 引言

EBZ160型掘進(jìn)機(jī)是一種具有先進(jìn)技術(shù)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)，其具有機(jī)身矮、重心低、運(yùn)行穩(wěn)定、效率高等特點(diǎn)。掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境惡劣，空載和重載工況轉(zhuǎn)換頻率高，回轉(zhuǎn)臺(tái)及其他零部件需承受復(fù)雜多變的沖擊載荷和靜載荷作用。為保證設(shè)備的可靠性，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段就要對(duì)其進(jìn)行剛強(qiáng)度校核，以滿足設(shè)備使用安全性和穩(wěn)定性的要求。

回轉(zhuǎn)臺(tái)多采用鋼板拼接式和鑄造框架式結(jié)構(gòu)，有較多的孔、曲面結(jié)構(gòu)，已不適宜采用傳統(tǒng)的以經(jīng)驗(yàn)公式為主的計(jì)算校核方法。有限元方法適用于各種形狀的連續(xù)體強(qiáng)度計(jì)算，并可采用計(jì)算機(jī)模擬的方式，不僅計(jì)算效率高，而且計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確[1]。本文將采用有限元法對(duì)在最大靜載工況下的回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和分析。

1 回轉(zhuǎn)臺(tái)受力分析

回轉(zhuǎn)臺(tái)屬于掘進(jìn)機(jī)本體部，是連接行走部和截割部的樞紐，同是也是截割部回轉(zhuǎn)和升降的平臺(tái)和基座。雖然回轉(zhuǎn)臺(tái)承受復(fù)雜多變的載荷，但可以從豎直方向和水平方向上進(jìn)行受力分析。

（1）豎直方向上，截割部與回轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接，一對(duì)同步升降油缸活塞桿端部與截割部懸臂進(jìn)行鉸接，而活塞缸本體端部則與回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行鉸接。截割部就是靠著這一對(duì)同步活塞缸的支撐繞著回轉(zhuǎn)臺(tái)的鉸接點(diǎn)在垂直面內(nèi)作擺動(dòng)，如圖1所示。同時(shí)，回轉(zhuǎn)臺(tái)上均勻分布有螺紋孔，用于連接回轉(zhuǎn)臺(tái)與回轉(zhuǎn)支承內(nèi)環(huán)，并通過回轉(zhuǎn)支承，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)臺(tái)與本體架的連接[2]。此時(shí)，回轉(zhuǎn)臺(tái)還需承受本體的部分質(zhì)量，豎直方向上的受力示意圖如圖2所示。

圖1 回轉(zhuǎn)臺(tái)與液壓缸連接圖

（2）水平方向上，一對(duì)對(duì)稱布置的油缸的兩端分別與回轉(zhuǎn)臺(tái)和機(jī)身鉸接，如圖3所示。由于機(jī)身是相對(duì)不動(dòng)的，所以當(dāng)一側(cè)油缸伸長，另一側(cè)油缸伸短時(shí)，回轉(zhuǎn)臺(tái)就會(huì)帶動(dòng)截割部轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)兩側(cè)油缸伸出長度相同時(shí)，回轉(zhuǎn)臺(tái)不轉(zhuǎn)動(dòng)，位于中間位置。

圖2 豎直方向受力示意圖

圖3 回轉(zhuǎn)臺(tái)與回轉(zhuǎn)油缸連接圖

本文中，由于回轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)速度極小，因此不考慮慣性力對(duì)其的影響，同時(shí)取回轉(zhuǎn)臺(tái)耳部各個(gè)方向受力的最大值，即回轉(zhuǎn)臺(tái)處于載荷最惡劣環(huán)境下，計(jì)算回轉(zhuǎn)臺(tái)受力狀態(tài)?；剞D(zhuǎn)臺(tái)受力示意圖如圖4所示。

圖4 水平方向受力示意圖

2 回轉(zhuǎn)臺(tái)有限元分析

2.1 模型簡化

在對(duì)剛體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析之前，一般需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化。為提高運(yùn)算效率，可以通過適當(dāng)省略細(xì)節(jié)部分以及降低幾何模型的維數(shù)等方法對(duì)幾何模型進(jìn)行簡化。本文中將回轉(zhuǎn)臺(tái)上的螺紋孔均簡化為光孔，同時(shí)將模型外輪廓上的倒角或圓角去掉。簡化后的回轉(zhuǎn)臺(tái)三維模型如圖5所示。

圖5 簡化后的回轉(zhuǎn)臺(tái)三維模型

2.2 材料屬性

已知回轉(zhuǎn)臺(tái)材料為ZG35CrMo，其部分材料屬性如表1所示[3]。

表1 材料屬性

2.3 有限元網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行有限元計(jì)算前，需要對(duì)研究的對(duì)象進(jìn)行離散化處理，即劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分需要綜合考慮模型的計(jì)算精度和效率來進(jìn)行尺寸控制，同時(shí)還需要根據(jù)實(shí)際情況選擇恰當(dāng)?shù)膯卧愋秃驮O(shè)置實(shí)常數(shù)。由于工作臺(tái)幾何結(jié)構(gòu)較為簡單，本文選取8節(jié)點(diǎn)的SOLID185單元來模擬實(shí)體單元，單元平均尺寸為8 mm。劃分好的有限元網(wǎng)格如圖6所示。

圖6 回轉(zhuǎn)臺(tái)有限元網(wǎng)格

2.4 施加邊界條件

本文中，不管是油缸與回轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接，還是螺栓與回轉(zhuǎn)臺(tái)連接，都可以看作是軸與孔的接觸或配合。然而在實(shí)際工況中，當(dāng)孔與軸的內(nèi)（外）圈圓弧接觸時(shí)，由于銷軸的微變形和裝配工藝的限制，很難準(zhǔn)確計(jì)算兩者接觸的面積，所以不能直接將壓力施加于圓弧面上的某個(gè)點(diǎn)。在有限元分析過程中，可以在圓弧面中心創(chuàng)建一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，利用可以傳遞載荷和變形的剛性連接MPC184連接中心節(jié)點(diǎn)與平面上的節(jié)點(diǎn)，然后將邊界條件加載到中心節(jié)點(diǎn)，如圖7所示[4]。

圖7 邊界條件施加處理方式

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算得到回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力云圖，如圖8所示。從云圖中可以看出，回轉(zhuǎn)臺(tái)最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)油缸與回轉(zhuǎn)臺(tái)連接的鉸孔處，其數(shù)值為45.3 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限930 MPa。

圖8 回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力云圖

3 結(jié)語

有限元分析表明：應(yīng)力集中區(qū)域分布在回轉(zhuǎn)臺(tái)與回轉(zhuǎn)油缸連接的支耳處，而其他大部分區(qū)域應(yīng)力均小于1 MPa，說明回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均，且大部分區(qū)域應(yīng)力較小，強(qiáng)度過于富余而出現(xiàn)材料利用率不高的情況，這些區(qū)域具有通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化或重新設(shè)計(jì)來達(dá)到減輕重量、提高材料利用率的可能。