基于ABAQUS的掘进机主机架及回转台结构强度的分析

2021-09-08陈哲

机械管理开发 2021年7期

陈哲

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西长治 046600）

引言

矿用掘进机是煤矿开采中的关键设备[1]，但由于煤层开采时经常会随机掉落煤石，一旦冲击在掘进机设备上，将极容易使得设备出现故障，加上掘进机一般处于超负荷、超长时间状态作业，增加了其设备的失效风险。主机架及回转台作为掘进机中的关键部件，经常会因外界冲击载荷过大、回转区域有煤灰聚集，使得其结构出现了结构变形、局部开裂、部分区域断裂等失效问题，一旦此部件出现故障，将极可能使得掘进机处于停机维修状态，严重影响煤矿开采效率及井下作业安全[2]。为此，利用当前成熟的有限元分析方法来掌握其结构的综合性能成为一种重要方法。为此，重点分析掘进机结构特点基础上，开展了主机架及回转台的仿真模型建立及综合性能研究，提出了其结构优化改进的措施，这对提高主机架及回转台的结构性能及使用寿命，保证掘进机高效生产具有重要作用。

1 掘进机结构

掘进机作为煤矿生产中的关键设备，其结构类型相对较多，包括全断面掘进机、部分断面掘进机，细分又可分为单护盾式、双护盾式、纵轴式等类型。其结构主要包括截割头、主机架及回转台、行走部、升降及回转油缸、水路冷却系统、后支撑部、截割臂、液压系统、润滑系统等部分[3]，如图1 所示。其中，截割部是与主机本体之间的重要连接件，回转台可实现截割部的左右旋转，是大型的焊接结构，容易产生疲劳裂纹[4]。装运部则主要负责将所切割的煤岩装载并输送至运输机上，其结构包括了铲板及溜槽等，其运输的速度则主要由星轮驱动装置及从动轮装置进行驱动控制。此次分析的重点机构为主机架及回转台，回转台上连接回转轴承[5]。回转轴承与主机架通过螺栓进行连接，油缸则通过销轴方式与主机架进行连接。在实际使用过程中，主机架及回转台会因受到外界的无规律载荷作用，加上自身的疲劳作业，导致其结构上会出现一定的结构变形、局部开裂等失效现象，影响着掘进机的高效安全作业，因此对于主机架及回转台结构强度的分析有助于提高设备的使用性能及安全性能。

图1 掘进机结构组成示意图

2 主机架及回转台模型建立

2.1 三维模型建立

为进一步分析掘进机中主机架及回转台在作业过程中的结构性能，采用了PROE 软件，对其进行了三维模型建立。在建模过程中，对部件中的回转油缸、回转台及主机架等进行了模型简化，省去了部件中的圆角、倒角、较小圆孔等特征，仅保留了部件中的关键部件，可有效提高结构的分析精度及速度，最终按照1∶1的模型比较，完成了主机架及回转台的三维模型建立，如下页图2 所示。

图2 主机架及回转台三维模型

2.2 有限元模型建立

将所建立的主机架及回转台保存为x-t 格式后，导入至ABAQUS 软件中，开展了该结构的有限元模型建立。在软件中，将各部件之间进行了全接触式无穿透的类型设置，并对主机架上的连接板端面进行了自由度约束，回转台上端则进行法向的自由度约束。根据主机架及回转台实际的材料属性，在软件中将其设置为了Q235 材料，并将Q235 材料全部赋予给相应部件上[6]。根据主机架及回转台的结构特点，选用了SOLID 实体单元类型，对结构进行了四面体网格划分，网格大小设置12mm，最终模型上的单元数量为47 855 个，节点总数为750 552 个。所建立的主机架及回转台仿真模型如图3 所示。

图3 主机架及回转台仿真模型

3 主机架及回转台结构性能分析

3.1 应力变化分析

通过仿真分析，得到了主机架及回转台的结构应力变化图，如图4 所示。由图可知，该结构整体出现了较为明显的应力集中现象，分布不均匀，最大应力出现在回转台的前端，并沿着回转台后端，呈逐渐减小的变化趋势。主机架上其他区域应力值则相对较小。分析其原因为回转台在作业时不仅受到水平方向的回转作用力，也受到向下的弯矩作用，加上回转台尾端作业时处于悬臂状态，故其结构前端出现了较大的应力集中现象。由此，得出回转台前端是整个结构的薄弱部位，在使用时极容易率先发生结构失效现象，故需对其进行重点的结构加强改进设计。

图4 主机架及回转台的应力变化图

3.2 结构位移变化分析

通过仿真分析，得到了主机架及回转台的结构位移变化图，如图5 所示。由图可知，整套结构出现了较为明显的结构位移变化，位移变化相对不规律，最大变形量出现在回转台的前端铰接耳处，沿着回转台后端，结构变形量呈逐渐减小趋势；同时，回转台后端的液压缸上也出现了较为明显的结构变形。主机架在整个过程中的结构变形量则相对较小。出现此现象的主要原因与其结构应力出现的集中现象原因基本相同，由此也验证了回转台的前端是整个结构上的薄弱部位，在综合考虑其前端结构强度的同时需重点对其结构刚度进行考虑。