掘进机回转台有限元分析

王 佳

（中煤平朔工业集团有限责任公司，山西朔州036000）

0 引言

EBZ160型掘进机是一种具有先进技术的悬臂式掘进机，其具有机身矮、重心低、运行稳定、效率高等特点。掘进机工作环境恶劣，空载和重载工况转换频率高，回转台及其他零部件需承受复杂多变的冲击载荷和静载荷作用。为保证设备的可靠性，在机械结构设计阶段就要对其进行刚强度校核，以满足设备使用安全性和稳定性的要求。

回转台多采用钢板拼接式和铸造框架式结构，有较多的孔、曲面结构，已不适宜采用传统的以经验公式为主的计算校核方法。有限元方法适用于各种形状的连续体强度计算，并可采用计算机模拟的方式，不仅计算效率高，而且计算结果较为准确[1]。本文将采用有限元法对在最大静载工况下的回转台进行强度计算和分析。

1 回转台受力分析

回转台属于掘进机本体部，是连接行走部和截割部的枢纽，同是也是截割部回转和升降的平台和基座。虽然回转台承受复杂多变的载荷，但可以从竖直方向和水平方向上进行受力分析。

（1）竖直方向上，截割部与回转台铰接，一对同步升降油缸活塞杆端部与截割部悬臂进行铰接，而活塞缸本体端部则与回转台进行铰接。截割部就是靠着这一对同步活塞缸的支撑绕着回转台的铰接点在垂直面内作摆动，如图1所示。同时，回转台上均匀分布有螺纹孔，用于连接回转台与回转支承内环，并通过回转支承，实现回转台与本体架的连接[2]。此时，回转台还需承受本体的部分质量，竖直方向上的受力示意图如图2所示。

图1 回转台与液压缸连接图

（2）水平方向上，一对对称布置的油缸的两端分别与回转台和机身铰接，如图3所示。由于机身是相对不动的，所以当一侧油缸伸长，另一侧油缸伸短时，回转台就会带动截割部转动；当两侧油缸伸出长度相同时，回转台不转动，位于中间位置。

图2 竖直方向受力示意图

图3 回转台与回转油缸连接图

本文中，由于回转台的回转速度极小，因此不考虑惯性力对其的影响，同时取回转台耳部各个方向受力的最大值，即回转台处于载荷最恶劣环境下，计算回转台受力状态。回转台受力示意图如图4所示。

图4 水平方向受力示意图

2 回转台有限元分析

2.1 模型简化

在对刚体结构进行有限元分析之前，一般需要对其进行结构简化。为提高运算效率，可以通过适当省略细节部分以及降低几何模型的维数等方法对几何模型进行简化。本文中将回转台上的螺纹孔均简化为光孔，同时将模型外轮廓上的倒角或圆角去掉。简化后的回转台三维模型如图5所示。

图5 简化后的回转台三维模型

2.2 材料属性

已知回转台材料为ZG35CrMo，其部分材料属性如表1所示[3]。

表1 材料属性

2.3 有限元网格划分

在进行有限元计算前，需要对研究的对象进行离散化处理，即划分网格。网格划分需要综合考虑模型的计算精度和效率来进行尺寸控制，同时还需要根据实际情况选择恰当的单元类型和设置实常数。由于工作台几何结构较为简单，本文选取8节点的SOLID185单元来模拟实体单元，单元平均尺寸为8 mm。划分好的有限元网格如图6所示。

图6 回转台有限元网格

2.4 施加边界条件

本文中，不管是油缸与回转台铰接，还是螺栓与回转台连接，都可以看作是轴与孔的接触或配合。然而在实际工况中，当孔与轴的内（外）圈圆弧接触时，由于销轴的微变形和装配工艺的限制，很难准确计算两者接触的面积，所以不能直接将压力施加于圆弧面上的某个点。在有限元分析过程中，可以在圆弧面中心创建一个中心节点，利用可以传递载荷和变形的刚性连接MPC184连接中心节点与平面上的节点，然后将边界条件加载到中心节点，如图7所示[4]。

图7 边界条件施加处理方式

2.5 计算结果分析

计算得到回转台应力云图，如图8所示。从云图中可以看出，回转台最大应力点出现在回转油缸与回转台连接的铰孔处，其数值为45.3 MPa，远小于材料的屈服极限930 MPa。

图8 回转台应力云图

3 结语

有限元分析表明：应力集中区域分布在回转台与回转油缸连接的支耳处，而其他大部分区域应力均小于1 MPa，说明回转台结构应力分布不均，且大部分区域应力较小，强度过于富余而出现材料利用率不高的情况，这些区域具有通过结构优化或重新设计来达到减轻重量、提高材料利用率的可能。