張俊杰

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦， 山西 方山 033100）

引言

回轉(zhuǎn)臺(tái)作為掘進(jìn)機(jī)中的關(guān)鍵部件之一，其具有較好的結(jié)構(gòu)性能對(duì)提高掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)效率至關(guān)重要。由于井下工作條件的惡劣性，加上回轉(zhuǎn)臺(tái)自身結(jié)構(gòu)問(wèn)題，導(dǎo)致其在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)鉸接耳磨損嚴(yán)重、變形量過(guò)大、斷裂等故障，嚴(yán)重影響著掘進(jìn)機(jī)的正常作業(yè)，開(kāi)展掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)性能研究十分必要[1]。

1 礦用掘進(jìn)機(jī)主要故障的分析

回轉(zhuǎn)臺(tái)是掘進(jìn)機(jī)中的關(guān)鍵組成部件之一，在使用過(guò)程中，主要與左右機(jī)架進(jìn)行連接，負(fù)責(zé)對(duì)截割臂進(jìn)行支撐，以實(shí)現(xiàn)懸臂的上下升降運(yùn)動(dòng)及360°旋轉(zhuǎn)作用。在此過(guò)程中，由于截割頭的各類參數(shù)均發(fā)生不同時(shí)刻的變化，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)臺(tái)承受著來(lái)自截割頭的較大變載荷沖擊作用，而截割頭的轉(zhuǎn)速及擺速變化對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的影響更大[2]。由于回轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)性能變化，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)了不同類型的運(yùn)行故障，具體如下：

1）掘進(jìn)機(jī)在工作過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較大機(jī)械振動(dòng)和變載荷作用，若回轉(zhuǎn)臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間在此狀態(tài)下運(yùn)行，將會(huì)出現(xiàn)支撐部疲勞受損，甚至突然出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象；

2）回轉(zhuǎn)臺(tái)在設(shè)計(jì)及使用過(guò)程中，由于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的不足而出現(xiàn)變形或斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)的截割性能大大降低，甚至出現(xiàn)整體無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)的故障現(xiàn)象；

3）掘進(jìn)機(jī)使用過(guò)程中，由于回轉(zhuǎn)臺(tái)上的油缸驅(qū)動(dòng)壓力過(guò)大，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)整體出現(xiàn)了液體泄漏現(xiàn)象；

4）回轉(zhuǎn)臺(tái)上的銷軸由于長(zhǎng)時(shí)間承受著較大程度的振動(dòng)沖擊作用，導(dǎo)致其銷軸出現(xiàn)了磨損、變形等現(xiàn)象，影響著掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性[3]。

2 回轉(zhuǎn)臺(tái)模型的建立

2.1 三維模型的建立

回轉(zhuǎn)臺(tái)在掘進(jìn)機(jī)中主要起到支撐懸臂、截割部分的回轉(zhuǎn)、升降、前進(jìn)等作用，其性能的好壞直接影響著掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行的可靠性和工作效率。因此，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用PROE軟件，建立了包含轉(zhuǎn)盤、回轉(zhuǎn)孔、連接銷軸孔等特征在內(nèi)的回轉(zhuǎn)臺(tái)初步模型；為使回轉(zhuǎn)臺(tái)的仿真結(jié)果與實(shí)際使用情況更加吻合，提高仿真結(jié)果精度，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)上的倒角、圓角、圓孔等進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，省略了銷軸上的非關(guān)鍵特征。由此，建立了回轉(zhuǎn)臺(tái)的三維模型，如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)三維模型

2.2 仿真模型的建立

結(jié)合建立的回轉(zhuǎn)臺(tái)三維模型，根據(jù)其實(shí)際結(jié)構(gòu)材料，將回轉(zhuǎn)臺(tái)的仿真模型設(shè)置為了40Cr材料，其材料的主要屬性參數(shù)如表1所示。同時(shí)，采用QBQUAS軟件，采用了四面體網(wǎng)格，將網(wǎng)格大小設(shè)置為20 mm，誤差設(shè)置為2 mm，完成回轉(zhuǎn)臺(tái)的網(wǎng)格劃分。根據(jù)回轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際使用情況，截割臂對(duì)其鉸接孔處將產(chǎn)生70 kN大小的作用力，降油缸將對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接孔產(chǎn)生100 kN左右的作用力，因此，將此作用力施加在回轉(zhuǎn)臺(tái)上，并對(duì)其進(jìn)行邊界條件設(shè)置，完成了回轉(zhuǎn)臺(tái)仿真模型的建立，如下頁(yè)圖2所示。

表1 回轉(zhuǎn)臺(tái)材料的主要參數(shù)

圖2 掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)仿真模型圖

3 回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)性能的分析

3.1 應(yīng)力變化的分析

通過(guò)回轉(zhuǎn)臺(tái)的仿真分析，得到了其應(yīng)力變化圖，如圖3所示。由圖可知，回轉(zhuǎn)臺(tái)在整體出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，并出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象；其中，在回轉(zhuǎn)臺(tái)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(yīng)力相對(duì)較大，但應(yīng)力值均在材料的屈服強(qiáng)度范圍里；而在其中部的前后兩端及后支腿上應(yīng)力相對(duì)較低。分析其原因?yàn)榻馗畋墼谧鳂I(yè)過(guò)程中對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的鉸接耳處產(chǎn)生了較大的動(dòng)態(tài)載荷作用，這與回轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際使用情況基本吻合。此現(xiàn)象將導(dǎo)致回轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接耳處在使用過(guò)程中率先出現(xiàn)變形、斷裂等故障，影響著掘進(jìn)機(jī)的使用安全，因此，需對(duì)這些部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[4]。

3.2 結(jié)構(gòu)位移變化的分析

通過(guò)掘進(jìn)機(jī)的仿真分析，得到了其結(jié)構(gòu)位移變化圖，如圖4所示。由圖可知，回轉(zhuǎn)臺(tái)整體出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)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(shì)；而在截割部與回轉(zhuǎn)臺(tái)連接的鉸接耳處也出現(xiàn)了較大程度的結(jié)構(gòu)變形，且外出鉸接耳變形大于內(nèi)側(cè)；回轉(zhuǎn)臺(tái)的中部及前端變形量則相對(duì)較小。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因同樣為在升降油缸及截割部作業(yè)過(guò)程中，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接處產(chǎn)生了較大載荷作用。在回轉(zhuǎn)臺(tái)使用過(guò)程中，這些部位最為薄弱，極易可能率先出現(xiàn)變形、斷裂等故障。因此，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)剛度需進(jìn)一步進(jìn)行加強(qiáng)[5]。

圖3 回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力變化圖

圖4 回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)位移變化圖

4 回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

結(jié)合回轉(zhuǎn)臺(tái)的仿真結(jié)果分析，回轉(zhuǎn)臺(tái)的后端升降油缸鉸接耳處、截割部鉸接耳等位置均出現(xiàn)了較大程度的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，在使用過(guò)程中極易發(fā)生變形、斷裂等故障，影響著掘進(jìn)機(jī)的工作效率，因此需對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

1）在回轉(zhuǎn)臺(tái)鉸接耳、中部連接槽等應(yīng)力集中部位周邊開(kāi)設(shè)直徑較小的圓孔，可將集中的應(yīng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)移，改變回轉(zhuǎn)臺(tái)上的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

2）對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)后端升降油缸鉸接耳處進(jìn)行加強(qiáng)，增加鉸接耳的厚度及銷孔尺寸，或在現(xiàn)有鉸接耳外界焊接加強(qiáng)材料，以提高此處的結(jié)構(gòu)剛度；

3）對(duì)連接臂及截割部鉸接耳處進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，增強(qiáng)其材料厚度，可減小在此處的結(jié)構(gòu)變形；

4）對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的使用情況進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)，保證鉸接孔處的潤(rùn)滑性，針對(duì)出現(xiàn)的故障問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維護(hù)更換。