掘进机回转耳架的设计与分析

摘要： 本文介绍了回转耳架的主要功能，阐述了回转耳架的重要作用，设计了焊接结构的回转耳架，根据实际工况对回转耳架添加约束和载荷，对应力和应变进行了分析，在此基础上提出了改进措施，降低了应力，为掘进机焊接回转耳架的设计提供依据。

Abstract： This paper introduces the main function of the rotating frame. Its important effect is described. Based on the force condition when it is working，the loading and constraint is imposed. The and deformation is analyzed. The improvement measures is proposed basis on the analysed. The stress is decreased. The basis is established to design the welding rotating frame of the roadheader.

关键词： 掘进机；回转耳架；分析

Key words： roadheader；rotating frame；analysis

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）06-0061-02

0 引言

回转耳架是掘进机工作时的主要受力部件之一，它承受着截割过程中上下截割和左右摆动截割巨大的冲击力，因此回转耳架的可靠性影响着整机的性能，部分回转耳架采用铸造结构，但是铸造存在气孔、缩孔、砂眼、浇不到等缺陷，影响使用寿命，有时会造成耳架断裂等现象，本文铸造回转耳架存在的缺点，设计了焊接机构的回转耳架，并对其进行了力学特性分析。

1 回转耳架的功能及设计要求

由于掘进机主要是摆动截割和上下截割，因此在设计回转耳架及其连接部件时要保证其工作机构能够正常工作，并且与其他部件不发生干涉，因此回转耳架合理的结构设计以及铰点优化计算相当重要。此外，掘进机受力比较复杂，工况比较恶劣，而且整机振动大，尤其是在截割岩石的过程中，整机会出现剧烈的抖动，有时还有可能出现失稳的现象，作为连接掘进机工作机构截割悬臂和机架的回转耳架，承受着相当大的载荷，而且倾覆力矩极大，因此首先要保证回转耳架与其他部件的连接部位强度，如回转耳架底部与回转支承通过螺栓相连接，必须保证在最恶劣的工况下螺栓及其连接部位不被损坏，其次应保证内部结构的合理，不出现应力集中等。因此在设计时的具体要求：①该耳架及其连接结构应实现左右回转和上下摆动。②具有足够的强度刚度和抗冲击能力。③应力分布均匀，不要出现应力突变。

2 回转耳架力学分析的三维实体建模

在建模过程中，为了便于分析计算，对与回转耳架相连接的截割机构及油缸进行了简化，截割悬臂简化为圆柱体与圆锥的组合，叉形架减少了不必要的圆角与螺纹孔，油缸简化为二力杆，截割悬臂与叉形架相贴合，回转耳架一端与叉形架交接，另一端与简化的油缸相铰接。由于要对回转耳架进行受力分析，因此对回转耳架的各个焊接板的相对位置和厚度必须准确，三维模型如图1所示。

3 回转耳架的力学计算

3.1 回转耳架的受力分析 在实际截割过程中，回转耳架受到上下和左右的截割力，本文只计算在上下截割过程中截割力对回转耳架对回转耳架的影响，中部承受G=12吨垂直向下载荷，前端承受Fs=20吨向左载荷，前端承受绕中心线67000N·m的扭矩。

3.2 力学模型的建立 由于截割悬臂并不属于关注部分，只作为加载使用，为了缩减分析计算规模，应用远端加载的方式替代截割悬臂部分的加载功能即可，在截割悬臂前部的截割头的载点应用远程载荷方式创建用于加载的刚性梁部件，然后定定义各零部件的材料及其物理属性。分析模型采用的材料基本参数均按通用钢材选择：弹性模量200GPa，泊松比0.3。分析模型的节点数量为167328个，单元数量为252098个。分析类型：线性材料模型静力分析。在该结构中，存在六个销轴连接孔，因此应用分析软件中的销轴连接方式完成连接。在约束与载荷加载及材料定义完成后，对其进行网格划分，对于有些部件网格划分困难时，可采用网格控制功能，对某些元部件细化网格。创建了销轴连接和加载刚性梁后的模型如图3所示。

网格划分完成后，进行运行计算，所得到的结果如图4所示：从图中可以看出，应力最大部位在与叉形架连接的耳板的根部，最大值为264兆帕，为了降低该处的应力，对回转耳架的内部结构作了改动，增加了如图7所示的一块筋板，重新分析后，最大处受力降低到244兆帕。

4 结语

本文通过对回转耳架的功能和设计要求进行了分析，完成了该结构力学模型的建立，以及力学计算分析，确定了回转耳架在给定载荷下的应力，并且通过结构改进，降低了最大应力，为以后掘进机焊接回转耳架的设计提供了依据。

参考文献：

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