陳 哲

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046600）

引言

礦用掘進(jìn)機(jī)是煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備[1]，但由于煤層開采時(shí)經(jīng)常會(huì)隨機(jī)掉落煤石，一旦沖擊在掘進(jìn)機(jī)設(shè)備上，將極容易使得設(shè)備出現(xiàn)故障，加上掘進(jìn)機(jī)一般處于超負(fù)荷、超長(zhǎng)時(shí)間狀態(tài)作業(yè)，增加了其設(shè)備的失效風(fēng)險(xiǎn)。主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)作為掘進(jìn)機(jī)中的關(guān)鍵部件，經(jīng)常會(huì)因外界沖擊載荷過大、回轉(zhuǎn)區(qū)域有煤灰聚集，使得其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)變形、局部開裂、部分區(qū)域斷裂等失效問題，一旦此部件出現(xiàn)故障，將極可能使得掘進(jìn)機(jī)處于停機(jī)維修狀態(tài)，嚴(yán)重影響煤礦開采效率及井下作業(yè)安全[2]。為此，利用當(dāng)前成熟的有限元分析方法來掌握其結(jié)構(gòu)的綜合性能成為一種重要方法。為此，重點(diǎn)分析掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，開展了主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)的仿真模型建立及綜合性能研究，提出了其結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的措施，這對(duì)提高主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)性能及使用壽命，保證掘進(jìn)機(jī)高效生產(chǎn)具有重要作用。

1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)

掘進(jìn)機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)類型相對(duì)較多，包括全斷面掘進(jìn)機(jī)、部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，細(xì)分又可分為單護(hù)盾式、雙護(hù)盾式、縱軸式等類型。其結(jié)構(gòu)主要包括截割頭、主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)、行走部、升降及回轉(zhuǎn)油缸、水路冷卻系統(tǒng)、后支撐部、截割臂、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等部分[3]，如圖1 所示。其中，截割部是與主機(jī)本體之間的重要連接件，回轉(zhuǎn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)截割部的左右旋轉(zhuǎn)，是大型的焊接結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生疲勞裂紋[4]。裝運(yùn)部則主要負(fù)責(zé)將所切割的煤巖裝載并輸送至運(yùn)輸機(jī)上，其結(jié)構(gòu)包括了鏟板及溜槽等，其運(yùn)輸?shù)乃俣葎t主要由星輪驅(qū)動(dòng)裝置及從動(dòng)輪裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。此次分析的重點(diǎn)機(jī)構(gòu)為主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)，回轉(zhuǎn)臺(tái)上連接回轉(zhuǎn)軸承[5]。回轉(zhuǎn)軸承與主機(jī)架通過螺栓進(jìn)行連接，油缸則通過銷軸方式與主機(jī)架進(jìn)行連接。在實(shí)際使用過程中，主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)會(huì)因受到外界的無規(guī)律載荷作用，加上自身的疲勞作業(yè)，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)上會(huì)出現(xiàn)一定的結(jié)構(gòu)變形、局部開裂等失效現(xiàn)象，影響著掘進(jìn)機(jī)的高效安全作業(yè)，因此對(duì)于主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析有助于提高設(shè)備的使用性能及安全性能。

圖1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)組成示意圖

2 主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)模型建立

2.1 三維模型建立

為進(jìn)一步分析掘進(jìn)機(jī)中主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)在作業(yè)過程中的結(jié)構(gòu)性能，采用了PROE 軟件，對(duì)其進(jìn)行了三維模型建立。在建模過程中，對(duì)部件中的回轉(zhuǎn)油缸、回轉(zhuǎn)臺(tái)及主機(jī)架等進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，省去了部件中的圓角、倒角、較小圓孔等特征，僅保留了部件中的關(guān)鍵部件，可有效提高結(jié)構(gòu)的分析精度及速度，最終按照1∶1的模型比較，完成了主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)的三維模型建立，如下頁圖2 所示。

圖2 主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)三維模型

2.2 有限元模型建立

將所建立的主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)保存為x-t 格式后，導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，開展了該結(jié)構(gòu)的有限元模型建立。在軟件中，將各部件之間進(jìn)行了全接觸式無穿透的類型設(shè)置，并對(duì)主機(jī)架上的連接板端面進(jìn)行了自由度約束，回轉(zhuǎn)臺(tái)上端則進(jìn)行法向的自由度約束。根據(jù)主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際的材料屬性，在軟件中將其設(shè)置為了Q235 材料，并將Q235 材料全部賦予給相應(yīng)部件上[6]。根據(jù)主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用了SOLID 實(shí)體單元類型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置12mm，最終模型上的單元數(shù)量為47 855 個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為750 552 個(gè)。所建立的主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)仿真模型如圖3 所示。

圖3 主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)仿真模型

3 主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 應(yīng)力變化分析

通過仿真分析，得到了主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖，如圖4 所示。由圖可知，該結(jié)構(gòu)整體出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，分布不均勻，最大應(yīng)力出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)臺(tái)的前端，并沿著回轉(zhuǎn)臺(tái)后端，呈逐漸減小的變化趨勢(shì)。主機(jī)架上其他區(qū)域應(yīng)力值則相對(duì)較小。分析其原因?yàn)榛剞D(zhuǎn)臺(tái)在作業(yè)時(shí)不僅受到水平方向的回轉(zhuǎn)作用力，也受到向下的彎矩作用，加上回轉(zhuǎn)臺(tái)尾端作業(yè)時(shí)處于懸臂狀態(tài)，故其結(jié)構(gòu)前端出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由此，得出回轉(zhuǎn)臺(tái)前端是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在使用時(shí)極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，故需對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖4 主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)力變化圖

3.2 結(jié)構(gòu)位移變化分析

通過仿真分析，得到了主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)位移變化圖，如圖5 所示。由圖可知，整套結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)位移變化，位移變化相對(duì)不規(guī)律，最大變形量出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)臺(tái)的前端鉸接耳處，沿著回轉(zhuǎn)臺(tái)后端，結(jié)構(gòu)變形量呈逐漸減小趨勢(shì)；同時(shí)，回轉(zhuǎn)臺(tái)后端的液壓缸上也出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形。主機(jī)架在整個(gè)過程中的結(jié)構(gòu)變形量則相對(duì)較小。出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因與其結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)的集中現(xiàn)象原因基本相同，由此也驗(yàn)證了回轉(zhuǎn)臺(tái)的前端是整個(gè)結(jié)構(gòu)上的薄弱部位，在綜合考慮其前端結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)需重點(diǎn)對(duì)其結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行考慮。

圖5 主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)位移變化圖

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

結(jié)合前文分析可知，掘進(jìn)機(jī)中回轉(zhuǎn)臺(tái)前端出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，而主機(jī)架整體結(jié)構(gòu)則相對(duì)安全。為進(jìn)一步提高整個(gè)掘進(jìn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，具體措施如下：

1）從材料角度，可將主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)材料由Q235 改為345 材料，使其材料的屈服強(qiáng)度由235 MPa 增加至345 MPa，以提高主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

2）對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的前端進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，將前端鉸接耳處的材料厚度增加2 mm，增加上下鉸接耳處的過渡圓弧，鉸接耳處的直徑增加4 mm，相應(yīng)的銷軸也進(jìn)行調(diào)整，提高回轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)剛度；

3）將回轉(zhuǎn)臺(tái)與主機(jī)架連接的油缸規(guī)格進(jìn)行增大，提高油缸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度；

4）在回轉(zhuǎn)臺(tái)前端的應(yīng)力集中區(qū)域附近開設(shè)直徑2 mm的小孔，使得前端集中的應(yīng)力能轉(zhuǎn)移至小孔處，降低回轉(zhuǎn)臺(tái)前端的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

5）在回轉(zhuǎn)臺(tái)使用過程中，盡量保證其不處于超負(fù)荷狀態(tài)作業(yè)，定期對(duì)其添加潤(rùn)滑油，保證回轉(zhuǎn)臺(tái)與主機(jī)架、鉸接耳等區(qū)域的潤(rùn)滑性能，減少摩擦阻力影響。

5 結(jié)論

利用當(dāng)前成熟的有限元分析技術(shù)，對(duì)主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)在使用過程中的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究，已成為當(dāng)前重要的研究方法。本文的研究結(jié)論為：

1）回轉(zhuǎn)臺(tái)的前端區(qū)域是作業(yè)過程中的薄弱部位，極容易率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、局部開裂或斷裂現(xiàn)象；

2）掌握了整套結(jié)構(gòu)的綜合性能變化規(guī)律，應(yīng)從多角度對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提高主機(jī)架及回轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)性能，提高其結(jié)構(gòu)使用壽命。