梁劍超

（山西華陽集團(tuán)新能股份有限公司一礦， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，礦用掘進(jìn)機作為一種重要開采設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用于煤礦領(lǐng)域。由于井下作業(yè)環(huán)境惡劣，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備受到較大外部沖擊力作用、通風(fēng)質(zhì)量較差、煤粉大量聚集等問題，給掘進(jìn)機的正常開采作業(yè)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]?；剞D(zhuǎn)臺作為掘進(jìn)機的關(guān)鍵部件，由于受到升降油缸、回轉(zhuǎn)油缸等部件的較大沖擊力作用，在作業(yè)時易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、局部結(jié)構(gòu)開裂、與油缸鉸接處變形嚴(yán)重等失效現(xiàn)象，而回轉(zhuǎn)臺的失效，將會使得整個回轉(zhuǎn)機構(gòu)無法正常開采作業(yè)[2]。因此，根據(jù)礦井工況條件，有針對性地對掘進(jìn)機回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究顯得十分必要。本文以ZBZ160 型礦用掘進(jìn)機為例展開相關(guān)研究。

1 ZBZ160 型掘進(jìn)機及回轉(zhuǎn)臺特點分析

ZBZ160 型礦用掘進(jìn)機是煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要包括行走機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、截割機構(gòu)、冷卻機構(gòu)等，能適應(yīng)于井下復(fù)雜環(huán)境的煤礦開采。其中，回轉(zhuǎn)機構(gòu)包括回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)液壓油缸、升降液壓油缸等部件。通過各油缸的伸縮與舉升，使得截割機構(gòu)完成對不同方位的煤礦的截割[3]。但由于井下環(huán)境惡劣，在進(jìn)行作業(yè)時回轉(zhuǎn)臺會受到多個方向的較大載荷的沖擊作用，導(dǎo)致整個回轉(zhuǎn)臺經(jīng)常出現(xiàn)各類故障，如回轉(zhuǎn)臺的前端鉸接耳處、上端的回轉(zhuǎn)鉸接耳等區(qū)域會出現(xiàn)而且更為容易出現(xiàn)變形、開裂等失效現(xiàn)象，一旦回轉(zhuǎn)臺出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效，將會使整個掘進(jìn)機處于停機維修狀態(tài)，因此應(yīng)加強對回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)性能的研究分析，提高其結(jié)構(gòu)強度[4]。

2 回轉(zhuǎn)臺模型的建立

2.1 回轉(zhuǎn)臺三維模型的建立

為進(jìn)一步分析回轉(zhuǎn)臺在工作過程中的結(jié)構(gòu)性能，采用Solidwirks 軟件，建立回轉(zhuǎn)臺三維模型。在建模過程中，主要建立回轉(zhuǎn)耳架、回轉(zhuǎn)壓板、回轉(zhuǎn)支承等部件模型，對回轉(zhuǎn)臺的非關(guān)鍵特征，如圓角、倒角及較小螺栓孔等進(jìn)行模型簡化，僅保留回轉(zhuǎn)臺的關(guān)鍵特征。同時，在建模時，忽略回轉(zhuǎn)臺上焊縫對整個結(jié)構(gòu)的影響，假設(shè)各零件之間均得以焊接牢固，也忽略焊接時焊接應(yīng)力及焊縫之間的內(nèi)應(yīng)力對整個工件的影響[5]。由此，按照1∶1 的模型比例，完成對ZBZ160 型礦用掘進(jìn)機回轉(zhuǎn)臺三維模型的建立，如圖1 所示。

圖1 回轉(zhuǎn)臺三維圖

2.2 回轉(zhuǎn)臺仿真模型的建立及模型網(wǎng)格的劃分

根據(jù)所建立的回轉(zhuǎn)臺三維模型，將其導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，建立其仿真模型。在此軟件中，將回轉(zhuǎn)臺設(shè)置為實體單元類型，在各零件之間進(jìn)行tie綁定固定。由于回轉(zhuǎn)臺的材料為Q235 材料，故將回轉(zhuǎn)臺的材料屬性設(shè)置為Q235，其材料的關(guān)鍵參數(shù)如下頁表1 所示。根據(jù)回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)特點，采用SOLID45 四面體網(wǎng)格類型及自動網(wǎng)格劃分方式，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將網(wǎng)格大小設(shè)置為20 mm，并對回轉(zhuǎn)臺上的鉸接孔處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。所建立的回轉(zhuǎn)臺網(wǎng)格圖如下頁圖2 所示。

圖2 回轉(zhuǎn)臺網(wǎng)格劃分圖

表1 Q235 材料關(guān)鍵參數(shù)表

2.3 回轉(zhuǎn)臺邊界條件的設(shè)置

在ABAQUS 軟件中，對回轉(zhuǎn)臺中部的回轉(zhuǎn)座處底部進(jìn)行全約束的邊界條件設(shè)置，對回轉(zhuǎn)油缸鉸接孔進(jìn)行同軸度對齊約束固定。同時，在回轉(zhuǎn)臺的X軸方向施加530 kN 的作用力，在Y 軸方向施加80 kN的作用力，在Z 軸方向施加90 kN 的作用力，以模擬回轉(zhuǎn)臺上受到的不同方向的作用力。將仿真時間設(shè)置為10 s、仿真步數(shù)設(shè)置為0.01 s。

3 回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)性能的仿真分析

3.1 回轉(zhuǎn)臺的應(yīng)力變化

結(jié)合所建立的掘進(jìn)機回轉(zhuǎn)臺仿真模型，得到該零件的應(yīng)力變化圖，如圖3 所示。由圖3 可知，整個回轉(zhuǎn)臺出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，大部分應(yīng)力集中出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)臺的鉸接前端，最大應(yīng)力出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)臺鉸接耳與升降油缸的連接處，最大值為262.45 MPa，超過了材料的屈服強度235 MPa，在鉸耳的端面上應(yīng)力則相對較小，在回轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)油缸與鉸接耳連接處應(yīng)力也相對較小，因此回轉(zhuǎn)臺前端與油缸的鉸接耳處是整個結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域。分析其原因為：回轉(zhuǎn)臺在與升降油缸及回轉(zhuǎn)油缸一起進(jìn)行作業(yè)時，受到較大的扭轉(zhuǎn)作用力，扭轉(zhuǎn)作用力被傳遞至回轉(zhuǎn)臺上，致使其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較大應(yīng)力集中現(xiàn)象。一旦回轉(zhuǎn)臺長期處于此狀態(tài)下作業(yè)，將極可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形、局部開裂等失效故障。

圖3 回轉(zhuǎn)臺應(yīng)力變化圖

3.2 回轉(zhuǎn)臺的位移變化

經(jīng)過仿真分析可知，掘進(jìn)機回轉(zhuǎn)臺也出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)位移變化，如圖4 所示。由圖4 可知：回轉(zhuǎn)臺前端與升級油缸鉸接連接處出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)位移變化，最大變形量達(dá)到了0.964 mm；與回轉(zhuǎn)臺相鉸接的回轉(zhuǎn)油缸連接處變形量則相對較??；沿著回轉(zhuǎn)臺后端方向，整個結(jié)構(gòu)的變形量呈逐漸減小趨勢。此位移的變化規(guī)律與回轉(zhuǎn)臺應(yīng)力變化基本相似。由此說明，回轉(zhuǎn)臺前端與升降油缸鉸接耳處是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，一旦此區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重變形，將可能使掘進(jìn)機無法正常舉升并造成相應(yīng)的安全事故。

圖4 回轉(zhuǎn)臺位移（mm）變化圖

4 回轉(zhuǎn)臺的優(yōu)化改進(jìn)

基于以上對回轉(zhuǎn)臺應(yīng)力及位移變化的分析研究可知，整個回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)強度及剛度相對較低，其前端與升降油缸鉸接連接處為整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，需予以優(yōu)化改進(jìn)。為此，提出幾點對回轉(zhuǎn)臺的優(yōu)化改進(jìn)措施：

1）增大回轉(zhuǎn)臺上的升級油缸處鉸耳的厚度H2、鉸耳半徑R2的結(jié)構(gòu)尺寸，將厚度H2增大4 mm、半徑R2增大5 mm，保證回轉(zhuǎn)臺具有較高的結(jié)構(gòu)強度及剛度，如圖5 所示。

圖5 回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)對象

2）將回轉(zhuǎn)臺的材料改為屈服強度更高的材料，如Q345材料，使其屈服強度由235MPa提升至345MPa，在其材料成本波動不大的條件下提高其結(jié)構(gòu)的屈服強度。

3）將升降油缸與回轉(zhuǎn)臺之間的鉸接距離由原有的1.3 m 降低至1.1 m，減小鉸接處的臂長，可使升降油缸對回轉(zhuǎn)臺向下的推力減小約5%，降低回轉(zhuǎn)臺上應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形量。

4）將回轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)油缸的鉸接距離由原來0.5 m增加至1 m，可使回轉(zhuǎn)油缸對回轉(zhuǎn)臺的作用力降低約3%，保證回轉(zhuǎn)臺具有更低的變形量。

5）定期對回轉(zhuǎn)臺與油缸的鉸接處進(jìn)行潤滑處理，減輕鉸接處的部件摩擦，并視回轉(zhuǎn)臺出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或應(yīng)力集中現(xiàn)象的嚴(yán)重程度，確定是否需要對其進(jìn)行更換。

5 結(jié)論

1）通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)臺前端與升降油缸鉸接處存在較大的應(yīng)力集中及位移變形，是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，與回轉(zhuǎn)臺實際作業(yè)時此部位極容易出現(xiàn)故障失效現(xiàn)象相吻合；

2）根據(jù)仿真分析結(jié)果，提出回轉(zhuǎn)臺的優(yōu)化改進(jìn)措施，以提升回轉(zhuǎn)臺鉸接耳處的結(jié)構(gòu)強度，降低油缸對回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的作用力，減小甚至消滅回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)變形。