基于ABAQUS的掘進機主機架及回轉臺結構強度的分析

陳 哲

（山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治 046600）

引言

礦用掘進機是煤礦開采中的關鍵設備[1]，但由于煤層開采時經常會隨機掉落煤石，一旦沖擊在掘進機設備上，將極容易使得設備出現故障，加上掘進機一般處于超負荷、超長時間狀態作業，增加了其設備的失效風險。主機架及回轉臺作為掘進機中的關鍵部件，經常會因外界沖擊載荷過大、回轉區域有煤灰聚集，使得其結構出現了結構變形、局部開裂、部分區域斷裂等失效問題，一旦此部件出現故障，將極可能使得掘進機處于停機維修狀態，嚴重影響煤礦開采效率及井下作業安全[2]。為此，利用當前成熟的有限元分析方法來掌握其結構的綜合性能成為一種重要方法。為此，重點分析掘進機結構特點基礎上，開展了主機架及回轉臺的仿真模型建立及綜合性能研究，提出了其結構優化改進的措施，這對提高主機架及回轉臺的結構性能及使用壽命，保證掘進機高效生產具有重要作用。

1 掘進機結構

掘進機作為煤礦生產中的關鍵設備，其結構類型相對較多，包括全斷面掘進機、部分斷面掘進機，細分又可分為單護盾式、雙護盾式、縱軸式等類型。其結構主要包括截割頭、主機架及回轉臺、行走部、升降及回轉油缸、水路冷卻系統、后支撐部、截割臂、液壓系統、潤滑系統等部分[3]，如圖1 所示。其中，截割部是與主機本體之間的重要連接件，回轉臺可實現截割部的左右旋轉，是大型的焊接結構，容易產生疲勞裂紋[4]。裝運部則主要負責將所切割的煤巖裝載并輸送至運輸機上，其結構包括了鏟板及溜槽等，其運輸的速度則主要由星輪驅動裝置及從動輪裝置進行驅動控制。此次分析的重點機構為主機架及回轉臺，回轉臺上連接回轉軸承[5]。回轉軸承與主機架通過螺栓進行連接，油缸則通過銷軸方式與主機架進行連接。在實際使用過程中，主機架及回轉臺會因受到外界的無規律載荷作用，加上自身的疲勞作業，導致其結構上會出現一定的結構變形、局部開裂等失效現象，影響著掘進機的高效安全作業，因此對于主機架及回轉臺結構強度的分析有助于提高設備的使用性能及安全性能。

圖1 掘進機結構組成示意圖

2 主機架及回轉臺模型建立

2.1 三維模型建立

為進一步分析掘進機中主機架及回轉臺在作業過程中的結構性能，采用了PROE 軟件，對其進行了三維模型建立。在建模過程中，對部件中的回轉油缸、回轉臺及主機架等進行了模型簡化，省去了部件中的圓角、倒角、較小圓孔等特征，僅保留了部件中的關鍵部件，可有效提高結構的分析精度及速度，最終按照1∶1的模型比較，完成了主機架及回轉臺的三維模型建立，如下頁圖2 所示。

圖2 主機架及回轉臺三維模型

2.2 有限元模型建立

將所建立的主機架及回轉臺保存為x-t 格式后，導入至ABAQUS 軟件中，開展了該結構的有限元模型建立。在軟件中，將各部件之間進行了全接觸式無穿透的類型設置，并對主機架上的連接板端面進行了自由度約束，回轉臺上端則進行法向的自由度約束。根據主機架及回轉臺實際的材料屬性，在軟件中將其設置為了Q235 材料，并將Q235 材料全部賦予給相應部件上[6]。根據主機架及回轉臺的結構特點，選用了SOLID 實體單元類型，對結構進行了四面體網格劃分，網格大小設置12mm，最終模型上的單元數量為47 855 個，節點總數為750 552 個。所建立的主機架及回轉臺仿真模型如圖3 所示。

圖3 主機架及回轉臺仿真模型

3 主機架及回轉臺結構性能分析

3.1 應力變化分析

通過仿真分析，得到了主機架及回轉臺的結構應力變化圖，如圖4 所示。由圖可知，該結構整體出現了較為明顯的應力集中現象，分布不均勻，最大應力出現在回轉臺的前端，并沿著回轉臺后端，呈逐漸減小的變化趨勢。主機架上其他區域應力值則相對較小。分析其原因為回轉臺在作業時不僅受到水平方向的回轉作用力，也受到向下的彎矩作用，加上回轉臺尾端作業時處于懸臂狀態，故其結構前端出現了較大的應力集中現象。由此，得出回轉臺前端是整個結構的薄弱部位，在使用時極容易率先發生結構失效現象，故需對其進行重點的結構加強改進設計。

圖4 主機架及回轉臺的應力變化圖

3.2 結構位移變化分析

通過仿真分析，得到了主機架及回轉臺的結構位移變化圖，如圖5 所示。由圖可知，整套結構出現了較為明顯的結構位移變化，位移變化相對不規律，最大變形量出現在回轉臺的前端鉸接耳處，沿著回轉臺后端，結構變形量呈逐漸減小趨勢；同時，回轉臺后端的液壓缸上也出現了較為明顯的結構變形。主機架在整個過程中的結構變形量則相對較小。出現此現象的主要原因與其結構應力出現的集中現象原因基本相同，由此也驗證了回轉臺的前端是整個結構上的薄弱部位，在綜合考慮其前端結構強度的同時需重點對其結構剛度進行考慮。

圖5 主機架及回轉臺結構位移變化圖

4 結構改進措施

結合前文分析可知，掘進機中回轉臺前端出現了較為明顯的應力集中及結構變形，是整個結構的薄弱部位，而主機架整體結構則相對安全。為進一步提高整個掘進機的整體結構強度，需對其進行結構優化改進設計，具體措施如下：

1）從材料角度，可將主機架及回轉臺的結構材料由Q235 改為345 材料，使其材料的屈服強度由235 MPa 增加至345 MPa，以提高主機架及回轉臺的整體結構強度；

2）對回轉臺的前端進行結構加固，將前端鉸接耳處的材料厚度增加2 mm，增加上下鉸接耳處的過渡圓弧，鉸接耳處的直徑增加4 mm，相應的銷軸也進行調整，提高回轉臺的結構剛度；

3）將回轉臺與主機架連接的油缸規格進行增大，提高油缸的結構強度及剛度；

4）在回轉臺前端的應力集中區域附近開設直徑2 mm的小孔，使得前端集中的應力能轉移至小孔處，降低回轉臺前端的應力集中現象，提高其結構強度；

5）在回轉臺使用過程中，盡量保證其不處于超負荷狀態作業，定期對其添加潤滑油，保證回轉臺與主機架、鉸接耳等區域的潤滑性能，減少摩擦阻力影響。

5 結論

利用當前成熟的有限元分析技術，對主機架及回轉臺在使用過程中的結構性能進行分析研究，已成為當前重要的研究方法。本文的研究結論為：

1）回轉臺的前端區域是作業過程中的薄弱部位，極容易率先出現結構變形、局部開裂或斷裂現象；

2）掌握了整套結構的綜合性能變化規律，應從多角度對其結構進行優化改進，以提高主機架及回轉臺的結構性能，提高其結構使用壽命。