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        關(guān)于ZBZ160 型礦用掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)性能分析

        2022-01-27 06:29:04梁劍超
        機(jī)械管理開發(fā) 2021年12期
        關(guān)鍵詞:回轉(zhuǎn)臺作用力掘進(jìn)機(jī)

        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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)為例展開相關(guān)研究。

        1 ZBZ160 型掘進(jìn)機(jī)及回轉(zhuǎn)臺特點分析

        ZBZ160 型礦用掘進(jìn)機(jī)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(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、截割機(jī)構(gòu)、冷卻機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)處于停機(jī)維修狀態(tài),因此應(yīng)加強(qiáng)對回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)性能的研究分析,提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)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?。谎刂剞D(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(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度更高的材料,如Q345材料,使其屈服強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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。

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