礦用掘進機回轉臺使用過程中結構性能的研究

張俊杰

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦， 山西 方山 033100）

引言

回轉臺作為掘進機中的關鍵部件之一，其具有較好的結構性能對提高掘進機的生產效率至關重要。由于井下工作條件的惡劣性，加上回轉臺自身結構問題，導致其在使用過程中經常出現鉸接耳磨損嚴重、變形量過大、斷裂等故障，嚴重影響著掘進機的正常作業，開展掘進機回轉臺的結構性能研究十分必要[1]。

1 礦用掘進機主要故障的分析

回轉臺是掘進機中的關鍵組成部件之一，在使用過程中，主要與左右機架進行連接，負責對截割臂進行支撐，以實現懸臂的上下升降運動及360°旋轉作用。在此過程中，由于截割頭的各類參數均發生不同時刻的變化，導致回轉臺承受著來自截割頭的較大變載荷沖擊作用，而截割頭的轉速及擺速變化對回轉臺的影響更大[2]。由于回轉臺的結構性能變化，導致掘進機出現了不同類型的運行故障，具體如下：

1）掘進機在工作過程中，會產生較大機械振動和變載荷作用，若回轉臺長時間在此狀態下運行，將會出現支撐部疲勞受損，甚至突然出現裂紋現象；

2）回轉臺在設計及使用過程中，由于其結構強度和剛度的不足而出現變形或斷裂現象，導致掘進機的截割性能大大降低，甚至出現整體無法正常運轉的故障現象；

3）掘進機使用過程中，由于回轉臺上的油缸驅動壓力過大，導致掘進機整體出現了液體泄漏現象；

4）回轉臺上的銷軸由于長時間承受著較大程度的振動沖擊作用，導致其銷軸出現了磨損、變形等現象，影響著掘進機的運行穩定性[3]。

2 回轉臺模型的建立

2.1 三維模型的建立

回轉臺在掘進機中主要起到支撐懸臂、截割部分的回轉、升降、前進等作用，其性能的好壞直接影響著掘進機運行的可靠性和工作效率。因此，結合掘進機回轉臺的結構特點，采用PROE軟件，建立了包含轉盤、回轉孔、連接銷軸孔等特征在內的回轉臺初步模型；為使回轉臺的仿真結果與實際使用情況更加吻合，提高仿真結果精度，對回轉臺上的倒角、圓角、圓孔等進行了模型簡化，省略了銷軸上的非關鍵特征。由此，建立了回轉臺的三維模型，如圖1所示。

圖1 掘進機回轉臺三維模型

2.2 仿真模型的建立

結合建立的回轉臺三維模型，根據其實際結構材料，將回轉臺的仿真模型設置為了40Cr材料，其材料的主要屬性參數如表1所示。同時，采用QBQUAS軟件，采用了四面體網格，將網格大小設置為20 mm，誤差設置為2 mm，完成回轉臺的網格劃分。根據回轉臺的實際使用情況，截割臂對其鉸接孔處將產生70 kN大小的作用力，降油缸將對回轉臺鉸接孔產生100 kN左右的作用力，因此，將此作用力施加在回轉臺上，并對其進行邊界條件設置，完成了回轉臺仿真模型的建立，如下頁圖2所示。

表1 回轉臺材料的主要參數

圖2 掘進機回轉臺仿真模型圖

3 回轉臺結構性能的分析

3.1 應力變化的分析

通過回轉臺的仿真分析，得到了其應力變化圖，如圖3所示。由圖可知，回轉臺在整體出現了應力分布不均勻現象，并出現了應力集中現象；其中，在回轉臺的前端左右銷軸耳、中部的定位固定槽及后部的升降油缸鉸接耳等部位應力相對較大，但應力值均在材料的屈服強度范圍里；而在其中部的前后兩端及后支腿上應力相對較低。分析其原因為截割臂在作業過程中對回轉臺的鉸接耳處產生了較大的動態載荷作用，這與回轉臺的實際使用情況基本吻合。此現象將導致回轉臺鉸接耳處在使用過程中率先出現變形、斷裂等故障，影響著掘進機的使用安全，因此，需對這些部位進行結構優化[4]。

3.2 結構位移變化的分析

通過掘進機的仿真分析，得到了其結構位移變化圖，如圖4所示。由圖可知，回轉臺整體出現了不同程度的結構變形，其中，后端升降油缸鉸接耳處的變形量最大，并延連接臂向前端呈逐漸減小的變化趨勢；而在截割部與回轉臺連接的鉸接耳處也出現了較大程度的結構變形，且外出鉸接耳變形大于內側；回轉臺的中部及前端變形量則相對較小。出現此現象的原因同樣為在升降油缸及截割部作業過程中，對回轉臺鉸接處產生了較大載荷作用。在回轉臺使用過程中，這些部位最為薄弱，極易可能率先出現變形、斷裂等故障。因此，對回轉臺的結構剛度需進一步進行加強[5]。

圖3 回轉臺應力變化圖

圖4 回轉臺結構位移變化圖

4 回轉臺結構的改進

結合回轉臺的仿真結果分析，回轉臺的后端升降油缸鉸接耳處、截割部鉸接耳等位置均出現了較大程度的應力集中及結構變形現象，在使用過程中極易發生變形、斷裂等故障，影響著掘進機的工作效率，因此需對回轉臺進行結構改進。

1）在回轉臺鉸接耳、中部連接槽等應力集中部位周邊開設直徑較小的圓孔，可將集中的應力進行轉移，改變回轉臺上的應力集中現象；

2）對回轉臺后端升降油缸鉸接耳處進行加強，增加鉸接耳的厚度及銷孔尺寸，或在現有鉸接耳外界焊接加強材料，以提高此處的結構剛度；

3）對連接臂及截割部鉸接耳處進行結構加強，增強其材料厚度，可減小在此處的結構變形；

4）對回轉臺的使用情況進行定期維護保養，保證鉸接孔處的潤滑性，針對出現的故障問題，應及時進行維護更換。