关于ZBZ160 型矿用掘进机回转台的结构性能分析

梁剑超

（山西华阳集团新能股份有限公司一矿， 山西 阳泉 045000）

引言

随着国家对煤矿资源的大量开采，矿用掘进机作为一种重要开采设备，已被广泛应用于煤矿领域。由于井下作业环境恶劣，经常出现设备受到较大外部冲击力作用、通风质量较差、煤粉大量聚集等问题，给掘进机的正常开采作业构成了严重威胁[1]。回转台作为掘进机的关键部件，由于受到升降油缸、回转油缸等部件的较大冲击力作用，在作业时易出现结构变形、局部结构开裂、与油缸铰接处变形严重等失效现象，而回转台的失效，将会使得整个回转机构无法正常开采作业[2]。因此，根据矿井工况条件，有针对性地对掘进机回转台结构性能进行分析研究显得十分必要。本文以ZBZ160 型矿用掘进机为例展开相关研究。

1 ZBZ160 型掘进机及回转台特点分析

ZBZ160 型矿用掘进机是煤矿开采中的关键设备，其结构主要包括行走机构、回转机构、截割机构、冷却机构等，能适应于井下复杂环境的煤矿开采。其中，回转机构包括回转台回转液压油缸、升降液压油缸等部件。通过各油缸的伸缩与举升，使得截割机构完成对不同方位的煤矿的截割[3]。但由于井下环境恶劣，在进行作业时回转台会受到多个方向的较大载荷的冲击作用，导致整个回转台经常出现各类故障，如回转台的前端铰接耳处、上端的回转铰接耳等区域会出现而且更为容易出现变形、开裂等失效现象，一旦回转台出现结构失效，将会使整个掘进机处于停机维修状态，因此应加强对回转台结构性能的研究分析，提高其结构强度[4]。

2 回转台模型的建立

2.1 回转台三维模型的建立

为进一步分析回转台在工作过程中的结构性能，采用Solidwirks 软件，建立回转台三维模型。在建模过程中，主要建立回转耳架、回转压板、回转支承等部件模型，对回转台的非关键特征，如圆角、倒角及较小螺栓孔等进行模型简化，仅保留回转台的关键特征。同时，在建模时，忽略回转台上焊缝对整个结构的影响，假设各零件之间均得以焊接牢固，也忽略焊接时焊接应力及焊缝之间的内应力对整个工件的影响[5]。由此，按照1∶1 的模型比例，完成对ZBZ160 型矿用掘进机回转台三维模型的建立，如图1 所示。

图1 回转台三维图

2.2 回转台仿真模型的建立及模型网格的划分

根据所建立的回转台三维模型，将其导入至ABAQUS 软件中，建立其仿真模型。在此软件中，将回转台设置为实体单元类型，在各零件之间进行tie绑定固定。由于回转台的材料为Q235 材料，故将回转台的材料属性设置为Q235，其材料的关键参数如下页表1 所示。根据回转台的结构特点，采用SOLID45 四面体网格类型及自动网格划分方式，对其进行网格划分。将网格大小设置为20 mm，并对回转台上的铰接孔处进行网格加密处理。所建立的回转台网格图如下页图2 所示。

图2 回转台网格划分图

表1 Q235 材料关键参数表

2.3 回转台边界条件的设置

在ABAQUS 软件中，对回转台中部的回转座处底部进行全约束的边界条件设置，对回转油缸铰接孔进行同轴度对齐约束固定。同时，在回转台的X轴方向施加530 kN 的作用力，在Y 轴方向施加80 kN的作用力，在Z 轴方向施加90 kN 的作用力，以模拟回转台上受到的不同方向的作用力。将仿真时间设置为10 s、仿真步数设置为0.01 s。

3 回转台结构性能的仿真分析

3.1 回转台的应力变化

结合所建立的掘进机回转台仿真模型，得到该零件的应力变化图，如图3 所示。由图3 可知，整个回转台出现了应力分布不均匀现象，大部分应力集中出现在回转台的铰接前端，最大应力出现在回转台铰接耳与升降油缸的连接处，最大值为262.45 MPa，超过了材料的屈服强度235 MPa，在铰耳的端面上应力则相对较小，在回转台的回转油缸与铰接耳连接处应力也相对较小，因此回转台前端与油缸的铰接耳处是整个结构的薄弱区域。分析其原因为：回转台在与升降油缸及回转油缸一起进行作业时，受到较大的扭转作用力，扭转作用力被传递至回转台上，致使其结构出现了较大应力集中现象。一旦回转台长期处于此状态下作业，将极可能出现结构严重变形、局部开裂等失效故障。

图3 回转台应力变化图

3.2 回转台的位移变化

经过仿真分析可知，掘进机回转台也出现了较为明显的结构位移变化，如图4 所示。由图4 可知：回转台前端与升级油缸铰接连接处出现了较为明显的结构位移变化，最大变形量达到了0.964 mm；与回转台相铰接的回转油缸连接处变形量则相对较小；沿着回转台后端方向，整个结构的变形量呈逐渐减小趋势。此位移的变化规律与回转台应力变化基本相似。由此说明，回转台前端与升降油缸铰接耳处是整个结构的薄弱部位，一旦此区域发生严重变形，将可能使掘进机无法正常举升并造成相应的安全事故。

图4 回转台位移（mm）变化图

4 回转台的优化改进

基于以上对回转台应力及位移变化的分析研究可知，整个回转台的结构强度及刚度相对较低，其前端与升降油缸铰接连接处为整个结构的薄弱部位，需予以优化改进。为此，提出几点对回转台的优化改进措施：

1）增大回转台上的升级油缸处铰耳的厚度H2、铰耳半径R2的结构尺寸，将厚度H2增大4 mm、半径R2增大5 mm，保证回转台具有较高的结构强度及刚度，如图5 所示。

图5 回转平台结构优化改进对象

2）将回转台的材料改为屈服强度更高的材料，如Q345材料，使其屈服强度由235MPa提升至345MPa，在其材料成本波动不大的条件下提高其结构的屈服强度。

3）将升降油缸与回转台之间的铰接距离由原有的1.3 m 降低至1.1 m，减小铰接处的臂长，可使升降油缸对回转台向下的推力减小约5%，降低回转台上应力集中及结构变形量。

4）将回转台与回转油缸的铰接距离由原来0.5 m增加至1 m，可使回转油缸对回转台的作用力降低约3%，保证回转台具有更低的变形量。

5）定期对回转台与油缸的铰接处进行润滑处理，减轻铰接处的部件摩擦，并视回转台出现结构变形或应力集中现象的严重程度，确定是否需要对其进行更换。

5 结论

1）通过仿真分析发现，回转台前端与升降油缸铰接处存在较大的应力集中及位移变形，是整个结构的薄弱部位，与回转台实际作业时此部位极容易出现故障失效现象相吻合；

2）根据仿真分析结果，提出回转台的优化改进措施，以提升回转台铰接耳处的结构强度，降低油缸对回转台结构的作用力，减小甚至消灭回转台结构变形。