掘進機回轉(zhuǎn)臺開裂故障分析及改進

三一重型裝備有限公司 遼寧沈陽 110027

掘 進機回轉(zhuǎn)機構(gòu)是掘進機的核心部件，主要由回轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)支承及緊固螺栓組件組成，其可靠性直接影響掘進機的生產(chǎn)效率。掘進機的執(zhí)行機構(gòu)截割部與回轉(zhuǎn)臺相連，通過回轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)及伸縮液壓缸、升降液壓缸的伸縮來實現(xiàn)掘進機截割部的升降與回轉(zhuǎn)。

三一重型裝備有限公司生產(chǎn)的某型號掘進機在截割 970 h 時發(fā)生了回轉(zhuǎn)臺開裂故障，開裂位置為回轉(zhuǎn)臺銷耳處。隨后將故障回轉(zhuǎn)臺拆解運回公司。為準(zhǔn)確地找出故障原因，從設(shè)計參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量及使用工況3 個方面對故障回轉(zhuǎn)臺進行分析。

1 設(shè)計參數(shù)

回轉(zhuǎn)臺可采用焊接或鑄造 2 種方式生產(chǎn)，焊接回轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定性較差，目前大部分機型都采用鑄造回轉(zhuǎn)臺[1]。筆者所論述的回轉(zhuǎn)臺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)臺力學(xué)模型

掘進機截割過程中有 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單且工作時長占比較小，故以受力情況復(fù)雜的工作面截割工況為研究對象[2]，建立回轉(zhuǎn)臺力學(xué)模型，如圖1 所示。

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

掘進機截割電動機功率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 個液壓缸額定壓力p1均為 20 MPa。

回轉(zhuǎn)臺所受截割轉(zhuǎn)矩

截割時升降液壓缸推力

回轉(zhuǎn)液壓缸推力

回轉(zhuǎn)液壓缸拉力

1.2 回轉(zhuǎn)臺有限元分析

在 Creo 中創(chuàng)建回轉(zhuǎn)臺三維模型，然后將三維模型簡化并導(dǎo)入 ANSYS 軟件中。設(shè)置回轉(zhuǎn)臺材料為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個單元和 257 684 個節(jié)點。為了保證開裂處的應(yīng)力分析結(jié)果更為準(zhǔn)確，將開裂處網(wǎng)格進行加密。

根據(jù)回轉(zhuǎn)臺力學(xué)模型進行加載，對回轉(zhuǎn)臺施加截割轉(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，并對回轉(zhuǎn)臺內(nèi)圈進行全自由度約束[3]，得到回轉(zhuǎn)臺應(yīng)力云圖，如圖 2 所示。

由圖 2 可知，回轉(zhuǎn)臺的最大應(yīng)力為 113.61 MPa，位于回轉(zhuǎn)臺銷耳處。回轉(zhuǎn)臺材料 ZG35CrMo 的屈服強度為 510 MPa，可得出回轉(zhuǎn)臺設(shè)計安全系數(shù)t=510/113.61=4.49。可見安全系數(shù)足夠，排除設(shè)計參數(shù)的原因。

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

2 產(chǎn)品質(zhì)量

對故障回轉(zhuǎn)臺取樣進行分析檢測，內(nèi)容及結(jié)果如下。

2.1 化學(xué)成分檢測

對故障回轉(zhuǎn)臺取樣進行化學(xué)成分檢測，將檢測結(jié)果與回轉(zhuǎn)臺設(shè)計要求做對比，如表 1 所列。由表 1 可以看出，故障回轉(zhuǎn)臺的碳含量沒有達到設(shè)計要求。

表1 故障回轉(zhuǎn)臺化學(xué)成分檢測結(jié)果與設(shè)計要求對比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

對故障回轉(zhuǎn)臺取樣進行機械性能檢測，將檢測結(jié)果與回轉(zhuǎn)臺設(shè)計要求做對比，如表 2 所列。由表 2 可以看出，所有檢測結(jié)果均符合設(shè)計要求。

表2 故障回轉(zhuǎn)臺機械性能檢測結(jié)果與設(shè)計要求對比Tab.2 Contrast of test results and design requirements in mechanical properties of faulty rotary table

2.3 宏觀分析

對故障回轉(zhuǎn)臺開裂處進行打磨后發(fā)現(xiàn)：開裂處附近有多處氣孔；鑄造圓角較小，不滿足設(shè)計要求；壁厚較薄，也不滿足設(shè)計要求。故障回轉(zhuǎn)臺開裂處照片如圖 3 所示。

2.4 金相組織檢測

在故障回轉(zhuǎn)臺開裂處附近取樣進行金相組織檢測，測得金相組織為 4 級回火索氏體，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 評定為Ⅲ型 (點狀) 夾雜物 (粗系) 1 級，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

掘進機使用工況為半煤巖、平巷無水，巷道高度為 5 m、寬度為 6.2 m，截割硬度f=4～ 6，故障發(fā)生前截割時長為 970 h。設(shè)備使用環(huán)境滿足設(shè)計需求，截割時長在設(shè)計范圍內(nèi)，截割硬度未超工況，排除掘進機使用工況的原因。

4 故障邏輯推理

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

(1) 故障回轉(zhuǎn)臺未按設(shè)計要求鑄出R10～R15 圓角，且開裂處壁厚較薄，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)致掘進機在截割作業(yè)時回轉(zhuǎn)臺在銷耳處產(chǎn)生裂紋，最終在交變載荷作用下，裂紋不斷擴展導(dǎo)致開裂故障。

5 改進方案

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

(1) 將開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]。

改進后的回轉(zhuǎn)臺鑄造模具如圖 5 所示。

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

6 結(jié)語

為了準(zhǔn)確找到回轉(zhuǎn)臺開裂故障的原因，建立了回轉(zhuǎn)臺在工作面截割工況下的力學(xué)模型，對回轉(zhuǎn)臺進行了受力分析和安全系數(shù)校驗，檢測了故障回轉(zhuǎn)臺的化學(xué)成分和機械性能，分析了掘進機使用工況，形成了合理的故障邏輯推理，確定了回轉(zhuǎn)臺鑄件碳元素含量過低、部分尺寸不合格和鑄造缺陷為本次故障的主要原因，并給出了改進方案。

按照文中提出的改進方案對回轉(zhuǎn)臺進行改進后，回轉(zhuǎn)臺故障率明顯降低。目前已在公司其余同類型掘進機回轉(zhuǎn)臺生產(chǎn)中推廣，取得了很好的效果，為廣大從業(yè)人員在回轉(zhuǎn)臺故障分析及改進時提供了參考。