張 強

（山西泰寶科技有限公司，山西 原平 034114）

引言

懸臂式掘進機作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，保障其設(shè)備及關(guān)鍵部件的綜合性能，是提高煤礦開采效率的關(guān)鍵[1]。由于掘進機中截割頭在煤礦開采中會受到較大的外界沖擊載荷作用，加上井下環(huán)境的惡劣型，所開采煤層的地質(zhì)硬度各不相同，導(dǎo)致掘進機整體受到較大無規(guī)律沖擊載荷作用，出現(xiàn)了截割頭磨損嚴重、回轉(zhuǎn)臺變形、回轉(zhuǎn)臺不靈敏、油缸漏油等異常故障問題[2]。其中，回轉(zhuǎn)臺作為掘進機中的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)中銷軸部件由于長時間承受著較大程度的振動沖擊作用，導(dǎo)致其銷軸出現(xiàn)了磨損、變形等現(xiàn)象，影響著掘進機的運行穩(wěn)定性。因此，選取EBZ160型懸臂式掘進機中回轉(zhuǎn)臺為分析對象，對其結(jié)構(gòu)在不同工況條件下的結(jié)構(gòu)性能展開研究，提出了回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進的措施。

1 掘進機的結(jié)構(gòu)組成分析

懸臂式掘進機是煤礦中常見的煤礦開采設(shè)備，根據(jù)掘進機的布局方式不同，可將其分為橫軸式和縱軸式類型，根據(jù)巷道中單軸的抗壓強度的不同，可將其分為半煤巖和硬巖型掘進機，但其結(jié)構(gòu)組成基本相同，以EBZ160型懸臂式掘進機為例，其結(jié)構(gòu)主要由截割頭、截割臂、升降油缸、回轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)油缸、行走部、液壓系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等部分組成[3]，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，可適應(yīng)煤巖硬度f≤8的工作面開采任務(wù)。具有操作靈活、維修方便、支護性能優(yōu)等特點。其中，截割頭結(jié)構(gòu)主要包括圓錐臺形，作業(yè)時直接與煤巖進行接觸，實現(xiàn)對煤巖的開采破壞作用[4]?；剞D(zhuǎn)臺是整個掘進機的支撐部件，主要通過內(nèi)部的回轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)掘進機的360°回轉(zhuǎn)作業(yè)，其結(jié)構(gòu)通過鑄造進行加工生產(chǎn)[5]，與掘進機本體架進行連接，有效提高該部件作業(yè)時的綜合性能成為當前亟待解決問題。

圖1 EBZ160型懸臂式掘進即結(jié)構(gòu)示意圖

2 回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 三維模型建立

根據(jù)EBZ160型懸臂式掘進機中回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)特點，按照1∶1的模型比例，采用SolidWorks軟件，開展了回轉(zhuǎn)臺的三維模型建立。在建模過程中，為提高回轉(zhuǎn)臺的分析速度及精度，對回轉(zhuǎn)臺中的倒角、圓角、較小圓孔、螺紋等特征進行模型簡化[6]，考慮回轉(zhuǎn)臺中的焊縫質(zhì)量及焊接高度等因素，建立了包含截割頭鉸接耳、油缸鉸接耳、回轉(zhuǎn)支撐孔等部位，三維示意圖如圖2所示。

2.2 工況狀態(tài)確定

為分析回轉(zhuǎn)臺在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能，確定了兩種工況作為分析環(huán)境。

2.2.1 工況一

圖2 回轉(zhuǎn)臺三維示意圖

工況一環(huán)境主要是截割頭分布在下極限位置進行煤礦截割的作業(yè)工況，其水平角為28°，俯仰角為-26°，此時，左回轉(zhuǎn)油缸行程達到650 mm，右油缸處于壓縮狀態(tài)，如圖3所示。

2.2.2 工況二

工況一環(huán)境主要是截割頭分布在上極限位置進行煤礦截割的作業(yè)工況，其水平角為-28°，俯仰角為26°，此時，右回轉(zhuǎn)油缸行程達到650 mm，左油缸處于壓縮狀態(tài)，如圖4所示。

圖3 掘進機工況一條件

圖4 掘進機工況二條件

2.3 仿真模型建立

將所建立的掘進機模型保存為x_t格式后，導(dǎo)入至ABAQUS軟件中，對其進行仿真模型建立。在軟中，將其材料設(shè)置為Q235，其屈服強度為235 MPa，彈性模量為206 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.28[7]。同時，采用了實體單元類型，對回轉(zhuǎn)臺進行了六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm。在載荷施加上，對工況一和工況二條件下均施加回轉(zhuǎn)方向載荷62 000 N，并對截割頭鉸接處進行了綁定（tie）固定約束。由此，完成了回轉(zhuǎn)臺的仿真模型建立。

3 不同工況下回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 工況一下結(jié)構(gòu)性能分析

通過仿真分析，得到了回轉(zhuǎn)臺在工況一下的應(yīng)力變化圖，如圖5所示。由圖可知，回轉(zhuǎn)臺整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，大部分應(yīng)力集中在中部回轉(zhuǎn)支撐處，最大應(yīng)力值為297.52 MPa，未超過其材料的屈服強度235 MPa，沿著回轉(zhuǎn)臺的左右方向，應(yīng)力值呈逐漸減小的變化趨勢，左側(cè)油缸鉸接耳處應(yīng)力也相對較高。分析其原因：回轉(zhuǎn)臺在回轉(zhuǎn)過程中，由于左側(cè)偏心作用，導(dǎo)致其中部區(qū)域受到的應(yīng)力值相對較大?；剞D(zhuǎn)臺在此工況下將極可能率先在中部區(qū)域出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或開裂等失效現(xiàn)象，故需對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，以保證其結(jié)構(gòu)的綜合性能。

3.2 工況二下結(jié)構(gòu)性能分析

通過仿真模型，得到了回轉(zhuǎn)臺在工況二下的應(yīng)力圖，如圖6所示。由圖可知，回轉(zhuǎn)臺在此工況下也呈現(xiàn)出了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，較大應(yīng)力分布情況比工況一范圍更大，最大應(yīng)力值為212.62 MPa，未超過材料的屈服強度235 MPa，也分布在中部回轉(zhuǎn)支撐處。左端截割頭鉸接耳處、油缸鉸接耳及左端平臺連接孔等區(qū)域也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但相對較小?；剞D(zhuǎn)臺的左右兩側(cè)應(yīng)力也呈不對稱分布，且右側(cè)應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，此趨勢與工況一條件下基本相同。為此，有必要對回轉(zhuǎn)臺進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。

圖5 工況一下回轉(zhuǎn)臺應(yīng)力變化圖

圖6 工況二下回轉(zhuǎn)臺應(yīng)力圖

4 回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上文分析可知，回轉(zhuǎn)臺的中部回轉(zhuǎn)支撐處是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，若不對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，將在其長時間的作業(yè)中率先發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或開裂等失效現(xiàn)象，對掘進機的作業(yè)安全性構(gòu)成嚴重威脅。為此，提出了幾點回轉(zhuǎn)臺改進措施。

1）將回轉(zhuǎn)臺的材料改為屈服強度更高的材料，如Q345材料，使其屈服材料提高至345 MPa，以提高其結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度；

2）在回轉(zhuǎn)臺設(shè)計加工時，對其中部回轉(zhuǎn)支撐處進行調(diào)質(zhì)淬火等熱加工處理，并對上表面的進行精加工處理，表面粗糙度控制在0.15，由此，可提高此部位的結(jié)構(gòu)強度；

3）對中部回轉(zhuǎn)支撐處、回轉(zhuǎn)臺截割頭及油缸鉸接耳應(yīng)力集中區(qū)域開設(shè)較小孔徑的圓孔，直徑為2 mm，可使集中的應(yīng)力轉(zhuǎn)移至小孔處，緩解結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

4）對回轉(zhuǎn)臺上結(jié)構(gòu)磨損情況、潤滑情況及結(jié)構(gòu)開裂等情況進行定期檢查及保養(yǎng)，保證回轉(zhuǎn)臺具有更好的結(jié)構(gòu)性能，若某部位出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，需及時進行維護保養(yǎng)及維修，以保證回轉(zhuǎn)臺及掘進機的作業(yè)效率。