ebz220SZD800/11G 型掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有限元分析

吳國(guó)平

（山西大同永定莊煤業(yè)公司， 山西 大同 037024）

引言

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采的不斷增加，越來(lái)越多賦存條件較為復(fù)雜的煤層得到開(kāi)采。但由于掘進(jìn)機(jī)在復(fù)雜工況下工作時(shí)會(huì)受到較大的載荷和沖擊，會(huì)造成掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵部件損壞失效。掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是連接掘進(jìn)機(jī)機(jī)身和截割結(jié)構(gòu)的部件，當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)受到較大的沖擊時(shí)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的回轉(zhuǎn)臺(tái)強(qiáng)度較低的部位易發(fā)生折斷，給礦山的生產(chǎn)造成了巨大的災(zāi)害。此前眾多學(xué)者對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行過(guò)優(yōu)化研究。商躍進(jìn)[1]通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的原理分析，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一定的優(yōu)化，并驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性，對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有著一定的參考意義。閆剛[2]通過(guò)利用ANASYS 數(shù)值模擬軟件對(duì)掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一定的優(yōu)化，優(yōu)化后的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)受沖擊后的變形明顯減小，優(yōu)化較為成功。劉志斌[3]分析了掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的受力情況，通過(guò)建立三維的模型進(jìn)行有限元分析，找到回轉(zhuǎn)臺(tái)的最大受力點(diǎn)，通過(guò)提升最大受力點(diǎn)的強(qiáng)度來(lái)提升掘進(jìn)機(jī)的效率。蔡文安[4]介紹了掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)，并對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，為掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)提供了一定的參考。本文以ebz220SZD800/11G 為研究背景，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

1 工況下掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)力學(xué)分析

掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行掘進(jìn)工作時(shí)，先將截割頭鉆入巖層的左下角，通過(guò)兩個(gè)回轉(zhuǎn)油缸的橫擺運(yùn)動(dòng)進(jìn)行截割水平方向截割。當(dāng)截割頭橫擺到右下側(cè)時(shí)，豎直方向的兩個(gè)油缸將截割頭向上推動(dòng)，實(shí)現(xiàn)垂直方向上的截割過(guò)程。截割頭的工作軌跡如圖1 所示。

圖1 截割頭的工作軌跡示意圖

一般來(lái)說(shuō)，掘進(jìn)機(jī)截割過(guò)程一般可分為兩種，一種為截割頭鉆進(jìn)煤層的過(guò)程，由于截割頭鉆進(jìn)煤層的時(shí)間較短，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的受力分析無(wú)較大影響，所以本文忽略這一部分，只考慮擺動(dòng)截割過(guò)程，擺動(dòng)截割過(guò)程也可分為豎直方向截割過(guò)程和水平方向截割過(guò)程，所以分開(kāi)對(duì)兩種情況下的受力進(jìn)行分析。

水平方向的截割過(guò)程是通過(guò)油缸的一端伸出，一端縮入，使得回轉(zhuǎn)臺(tái)可以在水平方向運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行水平方向的截割，水平方向截割受力圖如圖2所示。

圖2-1 的截割壁在掘進(jìn)機(jī)的正前方，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°，圖2-2 中的F1和F2為油缸的推力和拉里，l1和l2分別為推力和拉力的作用力臂。根據(jù)流體力學(xué)的知識(shí)可知，在相同的液壓壓強(qiáng)作用下，右側(cè)油缸的推力與左側(cè)油缸拉力比值面積之比為4:3，所以左右兩圖的力距為：

圖2 水平方向截割受力分析圖

在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行截割的過(guò)程中由于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和截割部件相連，所以在工作時(shí)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)會(huì)受到一定的截割阻力Fx，根據(jù)平衡方程可知截割阻力對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的力矩等于油缸對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的力矩，所以可以表示為：

當(dāng)β 為0°時(shí)截割阻力的力矩取到最大值，由于截割阻力對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的力矩等于油缸對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的力矩，所以只要知道l1和l2的數(shù)值就可以求出回轉(zhuǎn)臺(tái)受到的最大推力，也可以計(jì)算出回轉(zhuǎn)臺(tái)受到的最大拉力。

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行豎直方向上的截割時(shí)，此時(shí)的左右油缸不動(dòng)，升降油缸拉伸或者收縮，此時(shí)的截割臂會(huì)產(chǎn)生上下方向的運(yùn)動(dòng)，豎直截割時(shí)掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)受力狀況如圖3 所示。

圖3 豎直方向截割受力分析圖

豎直方向的截割受力分析過(guò)程如水平方向的截割受力分析，以截割臂為對(duì)象作出力矩的平衡方程，如下所示：

掘進(jìn)機(jī)在從左向右截割過(guò)程中，當(dāng)水平轉(zhuǎn)角最大時(shí)受到的推力最大。掘進(jìn)機(jī)從下至上截割的過(guò)程中，當(dāng)豎直方向的轉(zhuǎn)角最小時(shí)，油缸受到的推力達(dá)到最大值。

2 掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)值模擬研究

為了更好地研究掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的受力情況，本文利用ANASYS 數(shù)值模擬軟件對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行分析。由于掘進(jìn)機(jī)是由回轉(zhuǎn)耳架、壓板、回轉(zhuǎn)支承等組成，但由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本文將回轉(zhuǎn)臺(tái)作為一個(gè)整體，省略一部分對(duì)模擬研究影響較小的細(xì)節(jié)，建立回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的三維模型，回轉(zhuǎn)臺(tái)模型如圖4 所示。

圖4 回轉(zhuǎn)臺(tái)模型示意圖

模型繪制完成后，對(duì)模型進(jìn)行材料屬性的定義，后進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分。完成以上操作后對(duì)模擬進(jìn)行求解設(shè)置，將水平的截割過(guò)程設(shè)置為10 s，豎直的截割過(guò)程設(shè)置為5 s，設(shè)置完成后，對(duì)模型進(jìn)行一定的外部載荷加載，設(shè)置回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的油缸水平方向在0～10 s 的伸出速度為10 mm/s，豎直方向設(shè)置為0，豎直方向油缸10～15 s 的伸出速度設(shè)置為10 mm/s。對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算求解。如圖5 為水平截割過(guò)程和豎直截割過(guò)程的應(yīng)力云圖。

圖5 水平截割過(guò)程和豎直截割過(guò)程的應(yīng)力云圖

從圖5 可以看出：在水平截割的過(guò)程中，回轉(zhuǎn)臺(tái)受到的最大應(yīng)力集中在回轉(zhuǎn)油缸和回轉(zhuǎn)臺(tái)的連接處，當(dāng)水平截割時(shí)間來(lái)到10 s 時(shí)，此時(shí)的截割角度最大，此時(shí)回轉(zhuǎn)臺(tái)受到最大的應(yīng)力值為184 MPa；在掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行豎直方向上的截割時(shí)，回轉(zhuǎn)臺(tái)的最大應(yīng)力分布明顯較水平截割過(guò)程更廣，多處于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)升降油缸和回轉(zhuǎn)臺(tái)的連接位置，當(dāng)模擬時(shí)間進(jìn)行到15 s 時(shí)，回轉(zhuǎn)臺(tái)受到最大的應(yīng)力，為262 MPa，此時(shí)的回轉(zhuǎn)臺(tái)受到的應(yīng)力分布較大，易出現(xiàn)折斷的故障，影響礦山的安全生產(chǎn)，且當(dāng)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行豎直方向上的截割時(shí)，掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)臺(tái)受到的應(yīng)力分布較為對(duì)稱(chēng)，多處出現(xiàn)應(yīng)力值較大的區(qū)域，所以在進(jìn)行回轉(zhuǎn)臺(tái)材料強(qiáng)度檢測(cè)的時(shí)候應(yīng)當(dāng)充分考慮到掘進(jìn)機(jī)豎直截割過(guò)程中的載荷，模擬的結(jié)果和理論驗(yàn)證的結(jié)果比較相符，為回轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

3 結(jié)論

1）通過(guò)理論分析對(duì)掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的受力情況進(jìn)行了一定的研究，分析了回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的工作方式，為研究回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)受力做出了一定鋪墊。

2）通過(guò)研究回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的受力情況，給出掘進(jìn)機(jī)從左向右截割過(guò)程中，當(dāng)水平轉(zhuǎn)角最大時(shí)受到的推力最大。掘進(jìn)機(jī)從下至上截割的過(guò)程中，當(dāng)豎直方向的轉(zhuǎn)角最小時(shí)，油缸受到的推力達(dá)到最大值。

3）通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了回轉(zhuǎn)臺(tái)在兩種截割狀態(tài)下的受力情況，得到了回轉(zhuǎn)臺(tái)在工作時(shí)受最大應(yīng)力的部位，為優(yōu)化回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度作出了一定的貢獻(xiàn)。