三一重型裝備有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110027

掘 進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是掘進(jìn)機(jī)的核心部件，主要由回轉(zhuǎn)臺(tái)、回轉(zhuǎn)支承及緊固螺栓組件組成，其可靠性直接影響掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)效率。掘進(jìn)機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)截割部與回轉(zhuǎn)臺(tái)相連，通過(guò)回轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)及伸縮液壓缸、升降液壓缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割部的升降與回轉(zhuǎn)。

三一重型裝備有限公司生產(chǎn)的某型號(hào)掘進(jìn)機(jī)在截割 970 h 時(shí)發(fā)生了回轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)裂故障，開(kāi)裂位置為回轉(zhuǎn)臺(tái)銷(xiāo)耳處。隨后將故障回轉(zhuǎn)臺(tái)拆解運(yùn)回公司。為準(zhǔn)確地找出故障原因，從設(shè)計(jì)參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量及使用工況3 個(gè)方面對(duì)故障回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行分析。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

回轉(zhuǎn)臺(tái)可采用焊接或鑄造 2 種方式生產(chǎn)，焊接回轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定性較差，目前大部分機(jī)型都采用鑄造回轉(zhuǎn)臺(tái)[1]。筆者所論述的回轉(zhuǎn)臺(tái)也是采用鑄造方式生產(chǎn)，材質(zhì)為合金鋼 ZG35CrMo，調(diào)質(zhì)處理后硬度為 230～280HBW。

1.1 回轉(zhuǎn)臺(tái)力學(xué)模型

掘進(jìn)機(jī)截割過(guò)程中有 2 種典型工況，一種是掏槽截割，另一種是工作面截割。其中掏槽截割受力簡(jiǎn)單且工作時(shí)長(zhǎng)占比較小，故以受力情況復(fù)雜的工作面截割工況為研究對(duì)象[2]，建立回轉(zhuǎn)臺(tái)力學(xué)模型，如圖1 所示。

圖1 回轉(zhuǎn)臺(tái)力學(xué)模型示意Fig.1 Sketch of mechanical model of rotary table

掘進(jìn)機(jī)截割電動(dòng)機(jī)功率P=318 kW，截割部輸出轉(zhuǎn)速n=32 r/min，升降液壓缸內(nèi)徑d1=250 mm，回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)徑d2=220 mm、桿徑d3=160 mm，3 個(gè)液壓缸額定壓力p1均為 20 MPa。

回轉(zhuǎn)臺(tái)所受截割轉(zhuǎn)矩

截割時(shí)升降液壓缸推力

回轉(zhuǎn)液壓缸推力

回轉(zhuǎn)液壓缸拉力

1.2 回轉(zhuǎn)臺(tái)有限元分析

在 Creo 中創(chuàng)建回轉(zhuǎn)臺(tái)三維模型，然后將三維模型簡(jiǎn)化并導(dǎo)入 ANSYS 軟件中。設(shè)置回轉(zhuǎn)臺(tái)材料為ZG35CrMo，泊松比為 0.3，彈性模量為 206 GPa，密度為 7 850 kg/m3，屈服強(qiáng)度為 510 MPa。模型采用自由網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格大小為 25 mm，得到 152 164個(gè)單元和 257 684 個(gè)節(jié)點(diǎn)。為了保證開(kāi)裂處的應(yīng)力分析結(jié)果更為準(zhǔn)確，將開(kāi)裂處網(wǎng)格進(jìn)行加密。

根據(jù)回轉(zhuǎn)臺(tái)力學(xué)模型進(jìn)行加載，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)施加截割轉(zhuǎn)矩M、升降液壓缸推力F1、回轉(zhuǎn)液壓缸推力F2和回轉(zhuǎn)液壓缸拉力F3，并對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)圈進(jìn)行全自由度約束[3]，得到回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力云圖，如圖 2 所示。

由圖 2 可知，回轉(zhuǎn)臺(tái)的最大應(yīng)力為 113.61 MPa，位于回轉(zhuǎn)臺(tái)銷(xiāo)耳處。回轉(zhuǎn)臺(tái)材料 ZG35CrMo 的屈服強(qiáng)度為 510 MPa，可得出回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)安全系數(shù)t=510/113.61=4.49。可見(jiàn)安全系數(shù)足夠，排除設(shè)計(jì)參數(shù)的原因。

圖2 回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力云圖Fig.2 Stress contours of rotary table

2 產(chǎn)品質(zhì)量

對(duì)故障回轉(zhuǎn)臺(tái)取樣進(jìn)行分析檢測(cè)，內(nèi)容及結(jié)果如下。

2.1 化學(xué)成分檢測(cè)

對(duì)故障回轉(zhuǎn)臺(tái)取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果與回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求做對(duì)比，如表 1 所列。由表 1 可以看出，故障回轉(zhuǎn)臺(tái)的碳含量沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1 故障回轉(zhuǎn)臺(tái)化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求對(duì)比Tab.1 Contrast of test results and design requirements in chemical composition of faulty rotary table %

2.2 力學(xué)性能檢測(cè)

對(duì)故障回轉(zhuǎn)臺(tái)取樣進(jìn)行機(jī)械性能檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果與回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求做對(duì)比，如表 2 所列。由表 2 可以看出，所有檢測(cè)結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求。

表2 故障回轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求對(duì)比Tab.2 Contrast of test results and design requirements in mechanical properties of faulty rotary table

2.3 宏觀分析

對(duì)故障回轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)裂處進(jìn)行打磨后發(fā)現(xiàn)：開(kāi)裂處附近有多處氣孔；鑄造圓角較小，不滿足設(shè)計(jì)要求；壁厚較薄，也不滿足設(shè)計(jì)要求。故障回轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)裂處照片如圖 3 所示。

2.4 金相組織檢測(cè)

在故障回轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)裂處附近取樣進(jìn)行金相組織檢測(cè)，測(cè)得金相組織為 4 級(jí)回火索氏體，少量條狀、塊狀鐵素體，金相組織合格；夾雜物按標(biāo)準(zhǔn) TB/T 2451—93 評(píng)定為Ⅲ型 (點(diǎn)狀) 夾雜物 (粗系) 1 級(jí)，夾雜物合格。金相組織及夾雜物照片如圖 4 所示。

圖4 試樣金相組織及夾雜物照片F(xiàn)ig.4 Photos of metallographic structure and inclusions

3 使用工況

掘進(jìn)機(jī)使用工況為半煤巖、平巷無(wú)水，巷道高度為 5 m、寬度為 6.2 m，截割硬度f(wàn)=4～ 6，故障發(fā)生前截割時(shí)長(zhǎng)為 970 h。設(shè)備使用環(huán)境滿足設(shè)計(jì)需求，截割時(shí)長(zhǎng)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，截割硬度未超工況，排除掘進(jìn)機(jī)使用工況的原因。

4 故障邏輯推理

現(xiàn)場(chǎng)回轉(zhuǎn)臺(tái)連接螺栓及回轉(zhuǎn)支承狀況良好，排除螺栓斷裂及回轉(zhuǎn)支承質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致本故障發(fā)生的可能性。結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量及使用工況 3 種因素進(jìn)行分析，初步判斷回轉(zhuǎn)臺(tái)質(zhì)量不合格為本次故障原因。

(1) 故障回轉(zhuǎn)臺(tái)未按設(shè)計(jì)要求鑄出R10～R15 圓角，且開(kāi)裂處壁厚較薄，導(dǎo)致此處應(yīng)力集中。

(2) 鑄造工藝存在不合理環(huán)節(jié)，產(chǎn)生脫碳，導(dǎo)致故障回轉(zhuǎn)臺(tái)化學(xué)成分中碳含量偏低。

(3) 鑄造模具結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致排氣不順暢產(chǎn)生氣泡[4]。

以上多種因素共同導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)時(shí)回轉(zhuǎn)臺(tái)在銷(xiāo)耳處產(chǎn)生裂紋，最終在交變載荷作用下，裂紋不斷擴(kuò)展導(dǎo)致開(kāi)裂故障。

5 改進(jìn)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及鑄造廠家現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，給出改進(jìn)方案如下：

(1) 將開(kāi)裂處鑄造圓角加大為R25；

(2) 適當(dāng)調(diào)整澆注溫度，加快鋼液冷卻速度；

(3) 更改鑄造模具排氣位置，保證氣體快速排出，以減少鑄造缺陷[5]。

改進(jìn)后的回轉(zhuǎn)臺(tái)鑄造模具如圖 5 所示。

圖5 改進(jìn)后的回轉(zhuǎn)臺(tái)鑄造模具Fig.5 Improved casting mold for rotary table

6 結(jié)語(yǔ)

為了準(zhǔn)確找到回轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)裂故障的原因，建立了回轉(zhuǎn)臺(tái)在工作面截割工況下的力學(xué)模型，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了受力分析和安全系數(shù)校驗(yàn)，檢測(cè)了故障回轉(zhuǎn)臺(tái)的化學(xué)成分和機(jī)械性能，分析了掘進(jìn)機(jī)使用工況，形成了合理的故障邏輯推理，確定了回轉(zhuǎn)臺(tái)鑄件碳元素含量過(guò)低、部分尺寸不合格和鑄造缺陷為本次故障的主要原因，并給出了改進(jìn)方案。

按照文中提出的改進(jìn)方案對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)后，回轉(zhuǎn)臺(tái)故障率明顯降低。目前已在公司其余同類(lèi)型掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)生產(chǎn)中推廣，取得了很好的效果，為廣大從業(yè)人員在回轉(zhuǎn)臺(tái)故障分析及改進(jìn)時(shí)提供了參考。