矿用掘进机回转台使用过程中结构性能的研究

2020-03-14张俊杰

机械管理开发 2020年1期

张俊杰

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿，山西方山 033100）

引言

回转台作为掘进机中的关键部件之一，其具有较好的结构性能对提高掘进机的生产效率至关重要。由于井下工作条件的恶劣性，加上回转台自身结构问题，导致其在使用过程中经常出现铰接耳磨损严重、变形量过大、断裂等故障，严重影响着掘进机的正常作业，开展掘进机回转台的结构性能研究十分必要[1]。

1 矿用掘进机主要故障的分析

回转台是掘进机中的关键组成部件之一，在使用过程中，主要与左右机架进行连接，负责对截割臂进行支撑，以实现悬臂的上下升降运动及360°旋转作用。在此过程中，由于截割头的各类参数均发生不同时刻的变化，导致回转台承受着来自截割头的较大变载荷冲击作用，而截割头的转速及摆速变化对回转台的影响更大[2]。由于回转台的结构性能变化，导致掘进机出现了不同类型的运行故障，具体如下：

1）掘进机在工作过程中，会产生较大机械振动和变载荷作用，若回转台长时间在此状态下运行，将会出现支撑部疲劳受损，甚至突然出现裂纹现象；

2）回转台在设计及使用过程中，由于其结构强度和刚度的不足而出现变形或断裂现象，导致掘进机的截割性能大大降低，甚至出现整体无法正常运转的故障现象；

3）掘进机使用过程中，由于回转台上的油缸驱动压力过大，导致掘进机整体出现了液体泄漏现象；

4）回转台上的销轴由于长时间承受着较大程度的振动冲击作用，导致其销轴出现了磨损、变形等现象，影响着掘进机的运行稳定性[3]。

2 回转台模型的建立

2.1 三维模型的建立

回转台在掘进机中主要起到支撑悬臂、截割部分的回转、升降、前进等作用，其性能的好坏直接影响着掘进机运行的可靠性和工作效率。因此，结合掘进机回转台的结构特点，采用PROE软件，建立了包含转盘、回转孔、连接销轴孔等特征在内的回转台初步模型；为使回转台的仿真结果与实际使用情况更加吻合，提高仿真结果精度，对回转台上的倒角、圆角、圆孔等进行了模型简化，省略了销轴上的非关键特征。由此，建立了回转台的三维模型，如图1所示。

图1 掘进机回转台三维模型

2.2 仿真模型的建立

结合建立的回转台三维模型，根据其实际结构材料，将回转台的仿真模型设置为了40Cr材料，其材料的主要属性参数如表1所示。同时，采用QBQUAS软件，采用了四面体网格，将网格大小设置为20 mm，误差设置为2 mm，完成回转台的网格划分。根据回转台的实际使用情况，截割臂对其铰接孔处将产生70 kN大小的作用力，降油缸将对回转台铰接孔产生100 kN左右的作用力，因此，将此作用力施加在回转台上，并对其进行边界条件设置，完成了回转台仿真模型的建立，如下页图2所示。

表1 回转台材料的主要参数

图2 掘进机回转台仿真模型图

3 回转台结构性能的分析

3.1 应力变化的分析

通过回转台的仿真分析，得到了其应力变化图，如图3所示。由图可知，回转台在整体出现了应力分布不均匀现象，并出现了应力集中现象；其中，在回转台的前端左右销轴耳、中部的定位固定槽及后部的升降油缸铰接耳等部位应力相对较大，但应力值均在材料的屈服强度范围里；而在其中部的前后两端及后支腿上应力相对较低。分析其原因为截割臂在作业过程中对回转台的铰接耳处产生了较大的动态载荷作用，这与回转台的实际使用情况基本吻合。此现象将导致回转台铰接耳处在使用过程中率先出现变形、断裂等故障，影响着掘进机的使用安全，因此，需对这些部位进行结构优化[4]。

3.2 结构位移变化的分析

通过掘进机的仿真分析，得到了其结构位移变化图，如图4所示。由图可知，回转台整体出现了不同程度的结构变形，其中，后端升降油缸铰接耳处的变形量最大，并延连接臂向前端呈逐渐减小的变化趋势；而在截割部与回转台连接的铰接耳处也出现了较大程度的结构变形，且外出铰接耳变形大于内侧；回转台的中部及前端变形量则相对较小。出现此现象的原因同样为在升降油缸及截割部作业过程中，对回转台铰接处产生了较大载荷作用。在回转台使用过程中，这些部位最为薄弱，极易可能率先出现变形、断裂等故障。因此，对回转台的结构刚度需进一步进行加强[5]。