吳國平

（山西大同永定莊煤業(yè)公司， 山西 大同 037024）

引言

隨著我國煤礦開采的不斷增加，越來越多賦存條件較為復(fù)雜的煤層得到開采。但由于掘進機在復(fù)雜工況下工作時會受到較大的載荷和沖擊，會造成掘進機的關(guān)鍵部件損壞失效。掘進機回轉(zhuǎn)機構(gòu)是連接掘進機機身和截割結(jié)構(gòu)的部件，當(dāng)回轉(zhuǎn)機構(gòu)受到較大的沖擊時，回轉(zhuǎn)機構(gòu)中的回轉(zhuǎn)臺強度較低的部位易發(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)者對回轉(zhuǎn)機構(gòu)進行過優(yōu)化研究。商躍進[1]通過對掘進機回轉(zhuǎn)機構(gòu)的原理分析，對掘進機的回轉(zhuǎn)機構(gòu)進行了一定的優(yōu)化，并驗證了優(yōu)化方案的可行性，對回轉(zhuǎn)機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計有著一定的參考意義。閆剛[2]通過利用ANASYS 數(shù)值模擬軟件對掘進機回轉(zhuǎn)機構(gòu)進行了仿真實驗，并對回轉(zhuǎn)機構(gòu)進行了一定的優(yōu)化，優(yōu)化后的回轉(zhuǎn)機構(gòu)受沖擊后的變形明顯減小，優(yōu)化較為成功。劉志斌[3]分析了掘進機回轉(zhuǎn)機構(gòu)的受力情況，通過建立三維的模型進行有限元分析，找到回轉(zhuǎn)臺的最大受力點，通過提升最大受力點的強度來提升掘進機的效率。蔡文安[4]介紹了掘進機回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作特點，并對其工作狀態(tài)進行了數(shù)值模擬研究，為掘進機的回轉(zhuǎn)機構(gòu)優(yōu)化改進提供了一定的參考。本文以ebz220SZD800/11G 為研究背景，對掘進機的回轉(zhuǎn)機構(gòu)進行有限元分析。

1 工況下掘進機回轉(zhuǎn)臺力學(xué)分析

掘進機在進行掘進工作時，先將截割頭鉆入巖層的左下角，通過兩個回轉(zhuǎn)油缸的橫擺運動進行截割水平方向截割。當(dāng)截割頭橫擺到右下側(cè)時，豎直方向的兩個油缸將截割頭向上推動，實現(xiàn)垂直方向上的截割過程。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

一般來說，掘進機截割過程一般可分為兩種，一種為截割頭鉆進煤層的過程，由于截割頭鉆進煤層的時間較短，對回轉(zhuǎn)臺的受力分析無較大影響，所以本文忽略這一部分，只考慮擺動截割過程，擺動截割過程也可分為豎直方向截割過程和水平方向截割過程，所以分開對兩種情況下的受力進行分析。

水平方向的截割過程是通過油缸的一端伸出，一端縮入，使得回轉(zhuǎn)臺可以在水平方向運動，從而進行水平方向的截割，水平方向截割受力圖如圖2所示。

圖2-1 的截割壁在掘進機的正前方，轉(zhuǎn)動角度為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)的知識可知，在相同的液壓壓強作用下，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)機構(gòu)進行截割的過程中由于回轉(zhuǎn)機構(gòu)和截割部件相連，所以在工作時回轉(zhuǎn)機構(gòu)會受到一定的截割阻力Fx，根據(jù)平衡方程可知截割阻力對回轉(zhuǎn)臺的力矩等于油缸對回轉(zhuǎn)臺的力矩，所以可以表示為：

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

當(dāng)掘進機進行豎直方向上的截割時，此時的左右油缸不動，升降油缸拉伸或者收縮，此時的截割臂會產(chǎn)生上下方向的運動，豎直截割時掘進機回轉(zhuǎn)臺受力狀況如圖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程如水平方向的截割受力分析，以截割臂為對象作出力矩的平衡方程，如下所示：

掘進機在從左向右截割過程中，當(dāng)水平轉(zhuǎn)角最大時受到的推力最大。掘進機從下至上截割的過程中，當(dāng)豎直方向的轉(zhuǎn)角最小時，油缸受到的推力達到最大值。

2 掘進機回轉(zhuǎn)臺數(shù)值模擬研究

為了更好地研究掘進機在工作時回轉(zhuǎn)機構(gòu)的受力情況，本文利用ANASYS 數(shù)值模擬軟件對回轉(zhuǎn)臺進行分析。由于掘進機是由回轉(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)臺作為一個整體，省略一部分對模擬研究影響較小的細節(jié)，建立回轉(zhuǎn)機構(gòu)的三維模型，回轉(zhuǎn)臺模型如圖4 所示。

圖4 回轉(zhuǎn)臺模型示意圖

模型繪制完成后，對模型進行材料屬性的定義，后進行模型的網(wǎng)格劃分。完成以上操作后對模擬進行求解設(shè)置，將水平的截割過程設(shè)置為10 s，豎直的截割過程設(shè)置為5 s，設(shè)置完成后，對模型進行一定的外部載荷加載，設(shè)置回轉(zhuǎn)機構(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。對模型進行計算求解。如圖5 為水平截割過程和豎直截割過程的應(yīng)力云圖。

圖5 水平截割過程和豎直截割過程的應(yīng)力云圖

從圖5 可以看出：在水平截割的過程中，回轉(zhuǎn)臺受到的最大應(yīng)力集中在回轉(zhuǎn)油缸和回轉(zhuǎn)臺的連接處，當(dāng)水平截割時間來到10 s 時，此時的截割角度最大，此時回轉(zhuǎn)臺受到最大的應(yīng)力值為184 MPa；在掘進機在進行豎直方向上的截割時，回轉(zhuǎn)臺的最大應(yīng)力分布明顯較水平截割過程更廣，多處于回轉(zhuǎn)機構(gòu)升降油缸和回轉(zhuǎn)臺的連接位置，當(dāng)模擬時間進行到15 s 時，回轉(zhuǎn)臺受到最大的應(yīng)力，為262 MPa，此時的回轉(zhuǎn)臺受到的應(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)掘進機進行豎直方向上的截割時，掘進機的回轉(zhuǎn)臺受到的應(yīng)力分布較為對稱，多處出現(xiàn)應(yīng)力值較大的區(qū)域，所以在進行回轉(zhuǎn)臺材料強度檢測的時候應(yīng)當(dāng)充分考慮到掘進機豎直截割過程中的載荷，模擬的結(jié)果和理論驗證的結(jié)果比較相符，為回轉(zhuǎn)臺的設(shè)計提供了一定的參考價值。

3 結(jié)論

1）通過理論分析對掘進機的回轉(zhuǎn)機構(gòu)的受力情況進行了一定的研究，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）通過研究回轉(zhuǎn)機構(gòu)的受力情況，給出掘進機從左向右截割過程中，當(dāng)水平轉(zhuǎn)角最大時受到的推力最大。掘進機從下至上截割的過程中，當(dāng)豎直方向的轉(zhuǎn)角最小時，油缸受到的推力達到最大值。

3）通過數(shù)值模擬軟件對掘進機的回轉(zhuǎn)臺進行數(shù)值模擬，分析了回轉(zhuǎn)臺在兩種截割狀態(tài)下的受力情況，得到了回轉(zhuǎn)臺在工作時受最大應(yīng)力的部位，為優(yōu)化回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)強度作出了一定的貢獻。