掘進機回轉臺有限元分析

王 佳

（中煤平朔工業集團有限責任公司，山西朔州036000）

0 引言

EBZ160型掘進機是一種具有先進技術的懸臂式掘進機，其具有機身矮、重心低、運行穩定、效率高等特點。掘進機工作環境惡劣，空載和重載工況轉換頻率高，回轉臺及其他零部件需承受復雜多變的沖擊載荷和靜載荷作用。為保證設備的可靠性，在機械結構設計階段就要對其進行剛強度校核，以滿足設備使用安全性和穩定性的要求。

回轉臺多采用鋼板拼接式和鑄造框架式結構，有較多的孔、曲面結構，已不適宜采用傳統的以經驗公式為主的計算校核方法。有限元方法適用于各種形狀的連續體強度計算，并可采用計算機模擬的方式，不僅計算效率高，而且計算結果較為準確[1]。本文將采用有限元法對在最大靜載工況下的回轉臺進行強度計算和分析。

1 回轉臺受力分析

回轉臺屬于掘進機本體部，是連接行走部和截割部的樞紐，同是也是截割部回轉和升降的平臺和基座。雖然回轉臺承受復雜多變的載荷，但可以從豎直方向和水平方向上進行受力分析。

（1）豎直方向上，截割部與回轉臺鉸接，一對同步升降油缸活塞桿端部與截割部懸臂進行鉸接，而活塞缸本體端部則與回轉臺進行鉸接。截割部就是靠著這一對同步活塞缸的支撐繞著回轉臺的鉸接點在垂直面內作擺動，如圖1所示。同時，回轉臺上均勻分布有螺紋孔，用于連接回轉臺與回轉支承內環，并通過回轉支承，實現回轉臺與本體架的連接[2]。此時，回轉臺還需承受本體的部分質量，豎直方向上的受力示意圖如圖2所示。

圖1 回轉臺與液壓缸連接圖

（2）水平方向上，一對對稱布置的油缸的兩端分別與回轉臺和機身鉸接，如圖3所示。由于機身是相對不動的，所以當一側油缸伸長，另一側油缸伸短時，回轉臺就會帶動截割部轉動；當兩側油缸伸出長度相同時，回轉臺不轉動，位于中間位置。

圖2 豎直方向受力示意圖

圖3 回轉臺與回轉油缸連接圖

本文中，由于回轉臺的回轉速度極小，因此不考慮慣性力對其的影響，同時取回轉臺耳部各個方向受力的最大值，即回轉臺處于載荷最惡劣環境下，計算回轉臺受力狀態。回轉臺受力示意圖如圖4所示。

圖4 水平方向受力示意圖

2 回轉臺有限元分析

2.1 模型簡化

在對剛體結構進行有限元分析之前，一般需要對其進行結構簡化。為提高運算效率，可以通過適當省略細節部分以及降低幾何模型的維數等方法對幾何模型進行簡化。本文中將回轉臺上的螺紋孔均簡化為光孔，同時將模型外輪廓上的倒角或圓角去掉。簡化后的回轉臺三維模型如圖5所示。

圖5 簡化后的回轉臺三維模型

2.2 材料屬性

已知回轉臺材料為ZG35CrMo，其部分材料屬性如表1所示[3]。

表1 材料屬性

2.3 有限元網格劃分

在進行有限元計算前，需要對研究的對象進行離散化處理，即劃分網格。網格劃分需要綜合考慮模型的計算精度和效率來進行尺寸控制，同時還需要根據實際情況選擇恰當的單元類型和設置實常數。由于工作臺幾何結構較為簡單，本文選取8節點的SOLID185單元來模擬實體單元，單元平均尺寸為8 mm。劃分好的有限元網格如圖6所示。

圖6 回轉臺有限元網格

2.4 施加邊界條件

本文中，不管是油缸與回轉臺鉸接，還是螺栓與回轉臺連接，都可以看作是軸與孔的接觸或配合。然而在實際工況中，當孔與軸的內（外）圈圓弧接觸時，由于銷軸的微變形和裝配工藝的限制，很難準確計算兩者接觸的面積，所以不能直接將壓力施加于圓弧面上的某個點。在有限元分析過程中，可以在圓弧面中心創建一個中心節點，利用可以傳遞載荷和變形的剛性連接MPC184連接中心節點與平面上的節點，然后將邊界條件加載到中心節點，如圖7所示[4]。

圖7 邊界條件施加處理方式

2.5 計算結果分析

計算得到回轉臺應力云圖，如圖8所示。從云圖中可以看出，回轉臺最大應力點出現在回轉油缸與回轉臺連接的鉸孔處，其數值為45.3 MPa，遠小于材料的屈服極限930 MPa。

圖8 回轉臺應力云圖

3 結語

有限元分析表明：應力集中區域分布在回轉臺與回轉油缸連接的支耳處，而其他大部分區域應力均小于1 MPa，說明回轉臺結構應力分布不均，且大部分區域應力較小，強度過于富余而出現材料利用率不高的情況，這些區域具有通過結構優化或重新設計來達到減輕重量、提高材料利用率的可能。