關于ZBZ160 型礦用掘進機回轉臺的結構性能分析

梁劍超

（山西華陽集團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，礦用掘進機作為一種重要開采設備，已被廣泛應用于煤礦領域。由于井下作業環境惡劣，經常出現設備受到較大外部沖擊力作用、通風質量較差、煤粉大量聚集等問題，給掘進機的正常開采作業構成了嚴重威脅[1]。回轉臺作為掘進機的關鍵部件，由于受到升降油缸、回轉油缸等部件的較大沖擊力作用，在作業時易出現結構變形、局部結構開裂、與油缸鉸接處變形嚴重等失效現象，而回轉臺的失效，將會使得整個回轉機構無法正常開采作業[2]。因此，根據礦井工況條件，有針對性地對掘進機回轉臺結構性能進行分析研究顯得十分必要。本文以ZBZ160 型礦用掘進機為例展開相關研究。

1 ZBZ160 型掘進機及回轉臺特點分析

ZBZ160 型礦用掘進機是煤礦開采中的關鍵設備，其結構主要包括行走機構、回轉機構、截割機構、冷卻機構等，能適應于井下復雜環境的煤礦開采。其中，回轉機構包括回轉臺回轉液壓油缸、升降液壓油缸等部件。通過各油缸的伸縮與舉升，使得截割機構完成對不同方位的煤礦的截割[3]。但由于井下環境惡劣，在進行作業時回轉臺會受到多個方向的較大載荷的沖擊作用，導致整個回轉臺經常出現各類故障，如回轉臺的前端鉸接耳處、上端的回轉鉸接耳等區域會出現而且更為容易出現變形、開裂等失效現象，一旦回轉臺出現結構失效，將會使整個掘進機處于停機維修狀態，因此應加強對回轉臺結構性能的研究分析，提高其結構強度[4]。

2 回轉臺模型的建立

2.1 回轉臺三維模型的建立

為進一步分析回轉臺在工作過程中的結構性能，采用Solidwirks 軟件，建立回轉臺三維模型。在建模過程中，主要建立回轉耳架、回轉壓板、回轉支承等部件模型，對回轉臺的非關鍵特征，如圓角、倒角及較小螺栓孔等進行模型簡化，僅保留回轉臺的關鍵特征。同時，在建模時，忽略回轉臺上焊縫對整個結構的影響，假設各零件之間均得以焊接牢固，也忽略焊接時焊接應力及焊縫之間的內應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 型礦用掘進機回轉臺三維模型的建立，如圖1 所示。

圖1 回轉臺三維圖

2.2 回轉臺仿真模型的建立及模型網格的劃分

根據所建立的回轉臺三維模型，將其導入至ABAQUS 軟件中，建立其仿真模型。在此軟件中，將回轉臺設置為實體單元類型，在各零件之間進行tie綁定固定。由于回轉臺的材料為Q235 材料，故將回轉臺的材料屬性設置為Q235，其材料的關鍵參數如下頁表1 所示。根據回轉臺的結構特點，采用SOLID45 四面體網格類型及自動網格劃分方式，對其進行網格劃分。將網格大小設置為20 mm，并對回轉臺上的鉸接孔處進行網格加密處理。所建立的回轉臺網格圖如下頁圖2 所示。

圖2 回轉臺網格劃分圖

表1 Q235 材料關鍵參數表

2.3 回轉臺邊界條件的設置

在ABAQUS 軟件中，對回轉臺中部的回轉座處底部進行全約束的邊界條件設置，對回轉油缸鉸接孔進行同軸度對齊約束固定。同時，在回轉臺的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，以模擬回轉臺上受到的不同方向的作用力。將仿真時間設置為10 s、仿真步數設置為0.01 s。

3 回轉臺結構性能的仿真分析

3.1 回轉臺的應力變化

結合所建立的掘進機回轉臺仿真模型，得到該零件的應力變化圖，如圖3 所示。由圖3 可知，整個回轉臺出現了應力分布不均勻現象，大部分應力集中出現在回轉臺的鉸接前端，最大應力出現在回轉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度235 MPa，在鉸耳的端面上應力則相對較小，在回轉臺的回轉油缸與鉸接耳連接處應力也相對較小，因此回轉臺前端與油缸的鉸接耳處是整個結構的薄弱區域。分析其原因為：回轉臺在與升降油缸及回轉油缸一起進行作業時，受到較大的扭轉作用力，扭轉作用力被傳遞至回轉臺上，致使其結構出現了較大應力集中現象。一旦回轉臺長期處于此狀態下作業，將極可能出現結構嚴重變形、局部開裂等失效故障。

圖3 回轉臺應力變化圖

3.2 回轉臺的位移變化

經過仿真分析可知，掘進機回轉臺也出現了較為明顯的結構位移變化，如圖4 所示。由圖4 可知：回轉臺前端與升級油缸鉸接連接處出現了較為明顯的結構位移變化，最大變形量達到了0.964 mm；與回轉臺相鉸接的回轉油缸連接處變形量則相對較小；沿著回轉臺后端方向，整個結構的變形量呈逐漸減小趨勢。此位移的變化規律與回轉臺應力變化基本相似。由此說明，回轉臺前端與升降油缸鉸接耳處是整個結構的薄弱部位，一旦此區域發生嚴重變形，將可能使掘進機無法正常舉升并造成相應的安全事故。

圖4 回轉臺位移（mm）變化圖

4 回轉臺的優化改進

基于以上對回轉臺應力及位移變化的分析研究可知，整個回轉臺的結構強度及剛度相對較低，其前端與升降油缸鉸接連接處為整個結構的薄弱部位，需予以優化改進。為此，提出幾點對回轉臺的優化改進措施：

1）增大回轉臺上的升級油缸處鉸耳的厚度H2、鉸耳半徑R2的結構尺寸，將厚度H2增大4 mm、半徑R2增大5 mm，保證回轉臺具有較高的結構強度及剛度，如圖5 所示。

圖5 回轉平臺結構優化改進對象

2）將回轉臺的材料改為屈服強度更高的材料，如Q345材料，使其屈服強度由235MPa提升至345MPa，在其材料成本波動不大的條件下提高其結構的屈服強度。

3）將升降油缸與回轉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臺向下的推力減小約5%，降低回轉臺上應力集中及結構變形量。

4）將回轉臺與回轉油缸的鉸接距離由原來0.5 m增加至1 m，可使回轉油缸對回轉臺的作用力降低約3%，保證回轉臺具有更低的變形量。

5）定期對回轉臺與油缸的鉸接處進行潤滑處理，減輕鉸接處的部件摩擦，并視回轉臺出現結構變形或應力集中現象的嚴重程度，確定是否需要對其進行更換。

5 結論

1）通過仿真分析發現，回轉臺前端與升降油缸鉸接處存在較大的應力集中及位移變形，是整個結構的薄弱部位，與回轉臺實際作業時此部位極容易出現故障失效現象相吻合；

2）根據仿真分析結果，提出回轉臺的優化改進措施，以提升回轉臺鉸接耳處的結構強度，降低油缸對回轉臺結構的作用力，減小甚至消滅回轉臺結構變形。