郤云鵬

(中煤科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

回轉(zhuǎn)耳架是掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分，其主要通過軸承與機(jī)架相連，并通過兩根水平油缸帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)水平轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，回轉(zhuǎn)耳架也和截割機(jī)構(gòu)鉸接，并通過兩根縱向油缸實(shí)現(xiàn)截割機(jī)構(gòu)的縱向擺動(dòng)[1]。掘進(jìn)機(jī)主要用于切割煤巖。掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，通過截割機(jī)構(gòu)上旋轉(zhuǎn)的炮頭，實(shí)現(xiàn)截齒與煤巖壁的摩擦碰撞，進(jìn)而完成破煤成巷。截齒在截割煤巖時(shí)會(huì)受到極大的阻力。根據(jù)力相互作用的機(jī)制可知，與截割機(jī)構(gòu)直接連接的回轉(zhuǎn)耳架也將受到極大的作用力[2]。因此，必須保證回轉(zhuǎn)耳架的高強(qiáng)度和高可靠性能。

傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)耳架多采用鑄造工藝，鑄造出來的工件更加精密、整體化學(xué)成分分布均勻，并且在一定程度上縮短了加工時(shí)間。隨著近年來礦用機(jī)械的快速發(fā)展，煤礦機(jī)械中許多鑄造件被重新設(shè)計(jì)為焊接件，焊接工藝逐步替代了原單純鑄造工藝。新采用的焊接工藝縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，并且焊接件較原鑄造件具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)。在加工裝備中具有生產(chǎn)設(shè)備簡單、設(shè)計(jì)升級(jí)周期短、成本大幅下降等明顯優(yōu)勢[3]。綠色可持續(xù)發(fā)展理念的提出，要求各生產(chǎn)廠家節(jié)能減排，降低對環(huán)境的污染。鑄造行業(yè)屬于高能耗和高污染行業(yè)，為了積極響應(yīng)國家號(hào)召，決定采用焊接回轉(zhuǎn)耳架取代傳統(tǒng)的鑄造回轉(zhuǎn)耳架。

1 回轉(zhuǎn)耳架受力分析

掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，主要有兩種工作方式，一種是通過水平油缸帶動(dòng)回轉(zhuǎn)耳架實(shí)現(xiàn)截割機(jī)構(gòu)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)截割；另一種是通過縱向油缸伸長與收縮實(shí)現(xiàn)縱向的截割[4]。因此，截割所產(chǎn)生的阻力也會(huì)反作用到牽引油缸上，進(jìn)而作用到與油缸鉸接的回轉(zhuǎn)耳架上。有必要對回轉(zhuǎn)耳架水平耳板及縱向主附耳板進(jìn)行受力分析。圖1為掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)的兩種截割方式。

(a) 水平截割

(b) 縱向截割1-炮頭;2-截割機(jī)構(gòu);3-縱向油缸;4-主耳板;5-附耳板;6-回轉(zhuǎn)耳架;7-水平耳板;8-水平油缸。

1.1 水平截割受力分析

如圖2為水平截割示意圖。其中：AB、CD為兩根水平油缸(油缸鉸點(diǎn)分別為A、B、C、D);O為回轉(zhuǎn)耳架的回轉(zhuǎn)中心。在油缸AB和CD的共同作用下，截割機(jī)構(gòu)可繞回轉(zhuǎn)中心O順時(shí)針/逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)α角，極限位置分別為AB2C2D和AB1C1D。

圖2 水平截割示意圖

考慮到截割機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)具有對稱性，選取截割機(jī)構(gòu)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)作為研究對象。圖3為截割機(jī)構(gòu)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角α(-37°≤α≤37°)時(shí)，回轉(zhuǎn)耳架的受力示意圖。

圖3 水平截割受力示意圖

油缸對回轉(zhuǎn)耳架的綜合力矩:

T=Fr·lr+Fl·ll

(1)

式中:T為回轉(zhuǎn)耳架的綜合力矩，N·m；Fr為右回轉(zhuǎn)油缸受力，N；lr為右回轉(zhuǎn)油缸力臂，m；Fl為左回轉(zhuǎn)油缸受力，N；ll為左回轉(zhuǎn)油缸力臂，m。

根據(jù)雙作用油缸可知:

Fr=π·R2·P

(2)

Fl=π·(R2-r2)·P

(3)

式中:R為油缸缸筒半徑，m；r為油缸杠桿半徑，m；P為油壓壓強(qiáng)，MPa。

回轉(zhuǎn)耳架的綜合力矩可表達(dá)為:

(4)

截割阻力對回轉(zhuǎn)耳架的力矩:

T1=Fx·lOK·cosβ

(5)

式中:T1為回轉(zhuǎn)耳架所受力矩，N·m；Fx為截割阻力，N；lOK為截割阻力力臂，m；β為截割機(jī)構(gòu)縱向擺動(dòng)角，-26°≤β≤ 32°(當(dāng)β為0°時(shí)，即截割機(jī)構(gòu)位于水平位置，T1最大)。

由于回轉(zhuǎn)耳架受力平衡，則有T=T1，即：

(6)

在油缸回轉(zhuǎn)過程中，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系式，可得:

(7)

(8)

(9)

式中:∠AOB1=∠MOB-∠AOM+α。

通過聯(lián)立求解可得:

(10)

同理可得

(11)

聯(lián)立上述方程式可以得出l是關(guān)于α的函數(shù)，進(jìn)而可知T是關(guān)于α的函數(shù)。代入回轉(zhuǎn)耳架參數(shù)：R=0.085 m，r=0.055 m,P=21 MPa,lAO=1.804 m,lOB1=0.645 m,∠MOB=90°，∠AOM=10.38°,用數(shù)學(xué)軟件得出T和α的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 T和α的關(guān)系曲線

由圖4可知,T隨著α(圖示為弧度制)的增大而減?。划?dāng)α=0°時(shí)，T取得最大值5.246×105N·m，此時(shí)回轉(zhuǎn)耳架受力最大。

根據(jù)公式可知當(dāng)α=0°時(shí)，截割機(jī)構(gòu)所受的截割阻力為1.19×105N。對截割機(jī)構(gòu)施加該載荷，并得出此位置回轉(zhuǎn)耳架受力云如圖5所示。

圖5 水平截割時(shí)回轉(zhuǎn)耳架受力云圖

由圖5可知,改進(jìn)后的回轉(zhuǎn)耳架最大應(yīng)力為5.441×107N/m2，遠(yuǎn)小于回轉(zhuǎn)耳架的最大屈服強(qiáng)度2.206×108N/m2，滿足使用要求。

1.2 縱向截割受力分析

圖6為縱向截割示意圖。其中，IH為縱向油缸(油缸鉸點(diǎn)分別為I、H)。在油缸IH作用下，截割機(jī)構(gòu)EIK可繞回轉(zhuǎn)中心E順時(shí)針/逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)β角，極限位置分別為EI1K1和EI2K2。

圖6 縱向截割示意圖

當(dāng)截割機(jī)構(gòu)在縱向截割時(shí)，油缸IH的長度在不斷變化。因油缸IH受力為二力桿，所以附耳板處受力的大小不變，等于油缸的輸出力。本文主要分析了回轉(zhuǎn)耳架主耳板受力隨油缸回轉(zhuǎn)的變化情況?？v向截割受力示意圖如圖7所示。

圖7 縱向截割受力示意圖

根據(jù)回轉(zhuǎn)耳架受力平衡，對鉸點(diǎn)E取矩：

Fy·lEK+G·lEN·cosβ=F·l3

(12)

式中:Fy為縱向截割阻力，N；G為截割結(jié)構(gòu)重力，N；F為縱向油缸受力，N；l3為縱向油缸力臂，m；lEK為縱向截割阻力臂，m；lEN為截割結(jié)構(gòu)水平時(shí)重力力臂，m；β為截割機(jī)構(gòu)縱向擺角，-26°≤β≤32°。

根據(jù)回轉(zhuǎn)耳架受力，列力平衡矢量方程：

Fy·cosβ+G+F·sin(π-∠EHI-

∠EHM)+FEy=0

(13)

Fy·sinβ+F·cos(π-∠EHI-

∠EHM)+FEx=0

(14)

FE=FEx+FEy

(15)

由于油缸HI在回轉(zhuǎn)過程中，油缸受力F和縱向截割阻力Fy的分力方向隨著β角在變化，所以根據(jù)油缸IH的位置，分段進(jìn)行討論。

代入回轉(zhuǎn)耳架參數(shù)：G=70 000 N，R=0.085 m，r=0.055 m,P=21 MPa,lEK=3 m,lEN=2 m，∠EHM=75.31°,∠HEI=69.82°+β。用數(shù)學(xué)軟件得出合力FE和β的關(guān)系曲線如圖8所示。

(b) -14.4°≤β≤ 0°

(c) -26.0°≤β≤-14.4°

由圖8可得出FE隨著β(圖示為弧度制)的增大而增大，并且在β=-26°時(shí)主耳板所受到的力最大。

根據(jù)公式可知，當(dāng)β=-26°時(shí)，截割機(jī)構(gòu)所受截割阻力為1.6×105N。對原有鑄件回轉(zhuǎn)耳架和改進(jìn)后的焊件回轉(zhuǎn)耳架施加截割阻力1.6×105N，分別得出兩個(gè)回轉(zhuǎn)耳架的受力云圖,如圖9和圖10所示。

通過受力云圖分析可知，改進(jìn)前的回轉(zhuǎn)耳架最大應(yīng)力為1.827×108N/m2，改進(jìn)后的回轉(zhuǎn)耳架最大應(yīng)力為1.287×108N/m2，均小于回轉(zhuǎn)耳架的最大屈服強(qiáng)度2.206×108N/m2，滿足設(shè)計(jì)要求。

2 回轉(zhuǎn)耳架受力結(jié)果分析

通過理論計(jì)算，運(yùn)用數(shù)學(xué)軟件，分別得出在水平截割和縱向截割時(shí)，回轉(zhuǎn)耳架最大受力位置分別為α=0°，β=-26°。在該位置施加相應(yīng)的計(jì)算截割阻力，運(yùn)用SolidWorks仿真軟件對回轉(zhuǎn)耳架模型進(jìn)行加載分析[5]，得出回轉(zhuǎn)耳架應(yīng)力云圖。當(dāng)水平截割時(shí)，改進(jìn)后回轉(zhuǎn)耳架應(yīng)力最大為5.441×107N/m2，遠(yuǎn)小于回轉(zhuǎn)耳架的最大屈服強(qiáng)度2.206×108N/m2；當(dāng)縱向截割時(shí)，改進(jìn)前的回轉(zhuǎn)耳架最大應(yīng)力為1.827×108N/m2，改進(jìn)后的回轉(zhuǎn)耳架最大應(yīng)力1.287×108N/m2，均小于回轉(zhuǎn)耳架的最大屈服強(qiáng)度2.206×108N/m2，改進(jìn)后的回轉(zhuǎn)耳架最大應(yīng)力小于改進(jìn)前的回轉(zhuǎn)耳架最大應(yīng)力，充分說明改進(jìn)后的回轉(zhuǎn)耳架更合理，可以進(jìn)行投產(chǎn)。

圖9 縱向截割時(shí)原回轉(zhuǎn)耳架受力云

圖10 縱向截割時(shí)改進(jìn)后回轉(zhuǎn)耳架受力云

3 結(jié)論

掘進(jìn)機(jī)主要用于切割煤巖,以完成破煤成巷。截割過程中,截齒會(huì)受到極大的阻力。為保證回轉(zhuǎn)平架的高強(qiáng)度和高可靠性能,本文利用仿真軟件通過水平截割和縱向截割的受力分析,得出了更合理的結(jié)果,取得了較好的效果。