BZ120掘进机铸造型回转台的设计含5张CAD图
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BZ120掘进机铸造型回转台的设计含5张CAD图,BZ120,掘进机,铸造,回转,设计,CAD
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EBZ120掘进机铸造型回转台的设计摘 要长久以来，煤炭作为一种一次能源在我国的能源结构中的地位至关重要。我国的第一能源在很长一段时间内一直都是煤炭，并且可以预见未来这种情况还将延续一段时间。我国90%以上的煤矿生产方式属于井下开采，井下数量庞大的各类巷道进行安全快速掘进是煤矿能够安全高效开采的前提。在煤炭采掘机械化的众多方法中，大力发展综采设备是其中很重要的一种。而在众多采煤设备中，掘进机是最为普遍且成熟的。回转台属于悬臂式掘进机上的关键零部件之一，回转台的后方连接行走部的机架，前方连接截割部的叉形架。掘进机在工作时要完成多项复杂的动作，包括截割头纵深进给、截割臂的上下升降带动截割头上下切割岩层、截割臂左右横摆横向切割，这些运动都需要依靠回转台的支撑或者带动来实现。掘进机工作的同时，回转台需要承受前方截割头传来的不断变化角度复杂的冲击载荷，这些角度不同的载荷均会经过截割部的传递加载在回转台之上，载荷经过回转台的传递又加载到了主体部上面。因此，有必要根据常规工程施工现场，设计出一种可靠的回转台。该回转台采用整体铸造的加工方式，考虑到了掘进机的工作环境一般是煤矿井下有瓦斯、煤尘的潮湿环境中，截割对象为煤炭。此外，在回转机构设计中，还考虑到了回转支承安装、液压油管、配水管路、电缆等在回转机构中的通路等制约因素。本文以EBZ-120掘进机为研究对象，以市面上现存的该型号掘进机为参考，设计出适用于EBZ-120掘进机的可靠的铸造型回转台。需要对回转台进行结构设计，并利用Sold Works软件对设计零件进行三维建模，分析其在标准工况下的受力情况与应力分布，校核典型工况下设计产品是否符合要求。关键词：掘进机；回转台；回转支承；回转油缸；铸造工艺；三维模型；有限元分析ABSTRACTFor a long time, coal has been playing an important role in Chinas energy structure and national economy. Chinas first energy has been coal for a long time, and it can be predicted that this situation will continue for some time in the future. Tunneling and mining is one of the important links in coal mine production. Mining technology and its equipment level are directly related to the production capacity and production safety of coal mine. In the method of coal mining mechanization, vigorously developing fully mechanized mining equipment is one of the most important. In many coal mining equipment, roadheader is the most common and mature.The rotary table is one of the key parts of the boom roadheader. The rear part of the rotary table is connected with the frame of the walking part, and the front part is connected with the fork frame of the cutting part. Roadheader in the work to complete a number of complex actions, including cutting head depth feed, cutting arm up and down driven cutting head up and down cutting rock, cutting arm left and right sway transverse cutting, these movements need to rely on the support of the rotary table or driven to achieve. While roadheader is working, the turret needs to bear the complex impact load with changing angle from the front cutting head. These loads with different angles will be transferred to the turret through the cutting part, and then transferred to the frame through the turret. Because the weight of the cutting part and the self weight of the rotary table are relatively large, the slewing bearing of the rotary table must bear all the axial load and radial load, especially the overturning torque of the bearing in the horizontal plane generated by the cutting head in the cutting condition.Therefore, it is necessary to design a reliable rotary table according to the conventional engineering construction site. The rotary table adopts the whole casting processing method, considering that the working environment of the roadheader is generally the humid environment with gas and coal dust in the coal mine, and the cutting object is coal. In addition, in the design of slewing mechanism, the restrictive factors such as slewing bearing installation, hydraulic oil pipe, water distribution pipeline, cable and so on are also considered.In this paper, EBZ-120 roadheader as the research object, the existing model of roadheader on the market as a reference, design a reliable casting rotary table for EBZ-120 roadheader. Use the SolidWorks software to carry out the three-dimensional modeling of the designed parts, analyze the stress situation and stress distribution under the standard working conditions, and check whether the designed products meet the requirements under the typical working conditions.Keywords：Tunnel boring machine；Turntable of roadheader； Slewing bearing；Rotary cylinder；Foundry Technology；Three-dimensional model；Finite element analysis目 录1 绪论11.1引言11.2课题的研究目的与意义21.3国内外研究现状41.3.1对掘进机回转台进行设计及优化41.3.2对掘进机回转台进行受力分析51.3.3掘进机回转平台结构强度分析与优化51.3.4对掘进机实际使用中的一些故障进行分析及改进51.3.5国外相关研究61.4课题研究的内容62.回转台的结构设计72.1回转台的结构类型选择72.1.1齿轮齿条式回转台72.1.2普通推拉油缸式回转台82.2回转台参数设计82.2.1EBZ-120型掘进机参考参数82.2.2回转台参数选择92.3液压油缸的安装设计102.4回转支承型号的选择152.5回转台制造工艺的选择152.5.1铸造与焊接152.5.2回转台铸造工艺分析163.回转台三维建模与强度校核183.1Solid Works软件介绍183.1.1Solid Works的背景和发展183.1.2Solid Works主要设计特点183.2利用Solid Works对回转台三维建模183.2.1建立回转台模型193.3强度校核223.3.1简化模型223.3.2划分网格233.3.3载荷加载243.3.4强度校核结果264.回转台的有限元分析274.1截割头位于最左侧位置时回转台的静应力分析274.1.1载荷计算274.1.2载荷加载并进行分析274.1.3有限元分析结果274.2掘进机截割头位于最高位置时回转台的静应力分析284.2.1载荷计算284.2.2载荷加载284.2.3有限元分析结果295.总结31参考文献32致 谢34V1绪论1.1 引言长久以来，煤炭一直都在我国的能源结构与国民经济中占有重要的地位。习近平总书记曾指出：“我国煤炭资源丰富，在发展新能源、可再生能源的同时，还要做好煤炭这篇文章。”12017年至2020年，根据各种详细数据显示，煤炭消费在我国总能源消费中的比例明显降低，取而代之的是飞化石新能源开始越来越多。结合前几年的能源消费占比，可以看出，虽然煤炭在国民能源消费中的比重呈持续降低的趋势，这种趋势是从2007年开始的。但是直至2020年，十几年过去了，煤炭在我国能源结构中的主力地位仍然没有改变，并且可以预见未来这种情况还将延续一段时间。正因为如此，煤炭业的发展非常值得我们关注。根据煤炭产业十四五规划来看，我国煤炭产业近几年以及以后的发展方向是智能化、机械化、产业集中化，并且未来五年煤炭需求量仍然会呈现小幅度增长的趋势。我国90%以上的煤矿生产方式属于井下开采，井下数量庞大的各类巷道进行安全快速掘进是煤矿能够安全高效开采的前提，巷道掘进现在已经成为煤炭开采的先行工程2。在煤炭采掘机械化的方法中，大力发展综采设备是其中很重要的一种。而在众多采煤设备中，掘进机是最为普遍且成熟的。为了保证煤矿的高产、稳产，最关键的技术就是快速掘进煤矿的方法，发展掘进技术才能让煤矿产量提高，让井下生产更安全。采掘技术是一个国家煤矿采掘业发展的重中之重 3。煤巷综合机械化掘进（也就是悬臂式掘进机技术），是我国近十几甚至几十年一直沿用的掘进方式。这也是我国综采技术已然高速发展的原因，正是因为这种高效的掘进方式，现在在我国，年产几百万吨甚至几千万级别的煤矿井下工作面已经不在少数了。而这些煤矿之所以能达到如此高产的原因，也正是因为广泛普及使用悬臂式掘进机的原因。本文将会设计出用于EBZ120悬臂式掘进机的可靠、高效的回转台。该回转台采用整体铸造的加工方式，考虑到了工作环境是煤矿井下有瓦斯、煤尘的潮湿环境中，截割对象为煤炭。此外，在回转机构设计中，还考虑到了回转支承安装、液压油管、配水管路、电缆等在回转机构中的通路等制约因素。1.2课题的研究目的与意义我国开始引进使用悬臂掘进机的时间较晚，在二十世纪六十年代才开始研究这项设备，刚开始出行掘进机时都是引进国外的设备在采掘中使用，但是如今，众多煤矿井下使用的掘进机大多数已经是国产的了。我国自产的各种不同类型型号的掘进机不仅功能多样，而且稳定可靠 4。巷道掘进机经过多年的研究设计，体系已经相对完善，巷道掘进机大致可以归为两个种类：部分断面、全断面掘进机5。两种类型的掘进机互有优略。前者体积相对来说较小，功能较多且灵活，一般用于地下巷道的掘进，例如煤炭开采，煤巷掘进；后者体积大，截割功率大，能够切割的成分复杂的岩层，一般用于一些大型地上工程，例如水利涵洞建造、山体隧道建设。本文的研究对象悬臂式掘进机就属于部分断面掘进机，悬臂式掘进机已经被广泛应用于我国很多煤矿的开采工作中。而悬臂式掘进机这一大类型还可以根据截割头的不同以及截割方式的不同分为两种类型：纵轴式悬臂掘进机和横轴式悬臂掘进机。从字面意义上来说，支撑截割头转动的轴横向安装就是横轴式掘进机，纵向安装的轴就是纵轴式掘进机。简单来说，装有两个截割头的为横轴式掘进机，只有一个截割头的为纵轴式掘进机。图1-1 横轴式掘进机如前文所说，横轴式掘进机（EBH）的截割臂末端，左边安有一个截割头，右边安有一个截割头，两个截割头是对称的，如图 1-1 所示。横轴式掘进机的优点有：该型掘进机工作时有两个转动的截割头，所以它可以截割阻抗较大的硬煤。它的缺点也恰恰是因为两个截割头导致横轴式掘进机的截割效率较低。横轴式掘进机在向左运动截割岩层（或是向右摆动截割岩层）时，两个截割头中只有左侧（右侧）的截割头与岩层接触，真正的在截割岩层，平均来看，截割头只有大概三分之一的面积处于工作状态，发动机提供的大部分能量都被损失了。图1-2 纵轴式掘进机纵轴式掘进机（EBZ）只有一个截割头，安装在截割臂的末端，如图 1-2 所示。纵轴式掘进机截割头转动所需的轴是安装于截割臂伸出的一段，即其轴是纵向的，这也就是他被称作纵轴式掘进机的原因。只有一个截割头安装在截割臂6，优点是效率高，不论是以何种工况，截割头都在与岩层接触，截割岩层。但是缺点也真是因为这种同轴的安装方式，会使截割头的扭矩与阻力顺着截割臂传递到机身，对于掘进机上其他元件的强度就有了要求。悬臂式掘进机目前被广泛应用于掘进铁路隧道、挖掘矿山巷道、开凿水利涵洞和建造地下工建设7。这些应用场合的施工现场环境都是较为复杂恶劣的，复杂的工作环境势必会造成施加在掘进机各个机构上的载荷变化无常，大小、角度变化的幅度都会比较大。多变的载荷对于掘进机上的截割机构、回转机构，甚至是行走部主体部等来说都是一个巨大的考验，稍有不慎这些机构都会因为掘进机动载荷的加大而出现故障，从而影响掘进机的工作可靠性8。所以掘进机上的关键零部件都有一定的要求，例如回转台。回转台属于悬臂式掘进机上的关键零部件之一，回转台的后方连接行走部的机架，前方连接截割部的叉形架。掘进机在工作时要完成多项复杂的动作，包括截割头纵深进给、截割臂的上下升降带动截割头上下切割岩层、截割臂左右横摆横向切割，这些运动都需要依靠回转台的支撑或者带动来实现。掘进机工作的同时，回转台需要承受前方截割头传来的不断变化角度复杂的冲击载荷，这些角度不同的载荷均会经过截割部的传递加载在回转台之上，然后通过回转台再传递到主体部上。因为截割部的重量及回转台本身自重都较为大，所以在进行回转时，回转台的回转支承必然会承受全部的轴向载荷和径向载荷6，特别是来自于截割头在截割工况中所产生的在水平平面方向上对轴承的转矩、倾覆力矩。因此，有必要根据常规工程施工现场，设计出一种可靠的回转台。该回转台采用整体铸造的方式，该零件考虑到了工作环境是煤矿井下有瓦斯、煤尘的潮湿环境中，并且工作条件是截割功率120kw，整机重量50t，截割对象为煤炭。此外，在回转机构设计中，还考虑到了回转支承安装、液压油管、配水管路、电缆等在回转机构中的通路等制约因素。1.3国内外研究现状纵观近年来新发布的新型掘进机，可以看出悬臂式掘进机今后会像着机械化、自动化发展。想要实现悬臂式掘进机的完全机械化、自动化甚至无人开采，则必须要加强掘进机对于各种各样复杂多变的工作环境的适应能力，需要其能截割不同硬度的煤、煤岩、岩石等。目前，对回转台进行的研究较少。已有的研究大致可以分为以下这么几类：（1）设计适用于某种掘进机的回转台或优化设计；（2）对掘进机回转台进行不同工况的受力分析；（3）掘进机回转平台结构强度分析与优化；（4）对掘进机实际使用中的一些故障进行分析及改进。1.3.1对掘进机回转台进行设计及优化安徽理工大学的韩帮强曾对EBH-120型悬臂式掘进机的回转台进行设计并用传统的方法对其进行了应力分析。2018年，太原理工大学的刘德针对EBZ-300掘进机的回转台进行了设计优化的研究，通过各种科学有效的方法对现在的回转台进行了优化设计，并通过有限元分析得到了非常详细准确的应力分布，并在此基础上，对回转台的结构设计进行强度校核并对回转台结构进行优化9。1.3.2对掘进机回转台进行受力分析安徽理工大学的张安宁等人则是以EBZ255掘进机回转台为研究对象10，为该机的改进及优化设计提供指导。2020年，山西大同永定庄煤业公司的吴国平对EBZ220SZD800/11G型掘进机的回转机构进行了有限元分析，对掘进机回转台在各种工作状态下时的力学特征进行了理论分析，并利用ANASYS数值模拟软件对回转台的具体受力情况进行了模拟研究，由此得到了回转机构工作时的易断裂位置，此次研究为解决巨大冲击下回转机构易发生断裂失效的问题作出了一定的贡献与参考11。1.3.3掘进机回转平台结构强度分析与优化山西晋煤集团沁水胡底煤业有限公司的宋若杰在2020年曾发表过一篇论文，研究内容是掘进机回转平台结构强度的分析与优化。文中以EBJ-150B型掘进机的回转台为研究对象，选择了掘进机工作中的两种典型工况，利用ABAQUS软件有限元分析得到了应力分布以及位移分布情况，最终根据分析结果提出了回转机构的优化建议，对提升回转台的结构强度具有较为重要的参考意义12。宋若杰进行的研究，晋能集团昊兴塬煤业有限公司的吴成亮同样也做过，不同的是，他的研究对象是同煤集团永定庄煤业公司的EEBZ220SZD800/11G型悬臂式掘进机回转台，该型号掘进机出现了绞耳撕裂的故障问题，吴成亮为了解决此问题分析了回转台在工作过程中的应力、应变分布的具体情况，发现该型掘进机的回转台在升降绞耳位置存在一定应力集中现象，最终通过增加升降绞耳的厚度，成功的解决掉了该型号掘进机应力集中的问题13。1.3.4对掘进机实际使用中的一些故障进行分析及改进三一重型装备有限公司的盖巍巍、席亚兵、樊志家等人曾对掘进机回转台出现的开裂故障进行过分析和改进。回转台作为掘进机的关键零部件之一，因为在工作中要承受复杂多变的载荷，会出现开裂的故障。他们针对一起较为典型的回转台开裂故障进行了研究，并分析了掘进机具体的使用工况，最后找到了故障原因,并给出了改进方案，之后予以实施，效果较好，大大提高回转台的寿命与其可靠性14。晋煤集团寺河煤矿的刘万里在2020年曾对煤矿掘进机回转台开裂的原因进行了详细论证分析并且做了相关预防措施研究。为了探究回转台具体的开裂故障原因，增强掘进机质量，刘万里研究分析了回转台从选型到加工和使用的方法，优化了回转台的设计、制造以及使用等各环节，以此降低掘进机回转台的开裂故障发生率，从而提高掘进机的使用效率15。1.3.5国外相关研究奥地利的Uwe Restner，Josef Pichler&Bruno Reumueller，等人发表过一篇关于掘进机应用范围的文章。介绍了掘进机技术目前的最新发展，主要集中在扩大掘进机的应用范围，适应更硬、更磨料的切割条件。介绍了一些典型的ICUTROC掘进机应用，在以前的应用范围之外，突出了新一代臂架式切割机的能力。该项目由欧洲联盟在欧洲联盟委员会-DG XII管理的BRITE EURAM III工业和材料技术方案范围内提供资金，这一事实表明了该项目的环境和经济意义16。1.4课题研究的内容本次课题以EBZ-120掘进机为研究对象，决定以市面上现存的该型号掘进机为参考，设计出适用于EBZ-120掘进机的可靠的铸造型回转台。需要对回转台进行结构设计，并利用Sold Works软件对设计零件进行三维建模，分析其在标准工况下的受力情况与应力分布，校核典型工况下设计产品是否符合要求。2回转台的结构设计2.1回转台的结构类型选择回转台位于掘进机的本体部，属于掘进机中比较重要的部件之一。回转支承、回转体以及回转油缸共同组成了一个回转台。其下方连接主体部，前方又和截割部连接，同时还和行走部、转运部有着紧密的联系。所以一台掘进机的回转台设计是否可靠合理，对整个机器的运行有很多方面的影响，包括：掘进机总机性能、可靠性、整体结构甚至还会影响到整机的高度和尺寸。对于悬臂式掘进机的设计来说，有两种传统的回转台可供考虑普通推拉油缸式和齿轮齿条式。这两种类型的回转台各有不同的优点与缺点。2.1.1齿轮齿条式回转台首先介绍齿轮齿条式回转台（如图2-1），其结构较为复杂，由回转体、齿条式油缸、回转齿轮以及大型滚动回转轴承和平面滑回转轴承几部分组成17。齿轮齿条式回转台的工作原理是：液压油缸马达提供动力推动液压系统内的液压油，油缸伸出，推动着回转齿轮啮合，齿轮转动，就会带动回转齿轮连接的回转体左右转动，这个扭矩传递到截割臂上回带动前方整个截割部，主要是带动截割头左右移动做横摆运动。用为力的作用是相互的，在此同时，截割头会把轴向、径向阻力以及倾覆力矩通过截割臂传递到回转台上，再传递到机身主体部。图2-1 齿轮齿条式回转台 2.1.2普通推拉油缸式回转台悬臂式掘进机的回转台还有一种常见的类型普通推拉油缸式回转台（如图2-2）。相比于上一种回转台，普通推拉油缸式回转的的结构就会相对简单一些。在一个整体铸造或采取焊接工艺制造而成的回转体下方连接一个大型滚动回转轴承，并在两侧对称布置两个回转油缸。回转油缸的后连机架，前连回转台，在工作的时候两个回转油缸分别座推和拉的动作，从而带动回转体转动。图2-2 普通推拉油缸式回转台理论上来说，齿轮齿条式回转台的的承载能力更强，适用于硬度较大的煤层，但其所要求的煤矿巷道也大，一般都被应用于大型掘进机设备。而本文设计的回转台用于EBZ120掘进机，这种掘进机属于中小型掘进机，所以采用尺寸更小，成本更低的普通推拉油缸式回转台更适合。更何况，从经济角度上来说，普通推拉油缸式回转台在维护与制造上明显更加经济实惠。2.2回转台参数设计2.2.1EBZ-120型掘进机参考参数EBZ120型掘进机在井下作业中使用的比较频繁，所以市面上已经有很多企业可以制造，比如佳木斯煤矿机械有限公司，该公司制造的EBZ120整机参数如表2-1所示。型号EBZ-120铲板卧底量（mm）290机体总长（mm）9300铲板抬升量（mm）340机身高度（mm）1480地隙（mm）240铲板总宽（mm）2800截割硬度（MPa）65履带外宽（mm）2000接地比压（MPa）0.14机体总重（t）43系统压力（MPa）20.6截割宽度（mm）5500装机总功率（Kw）195截割高度（mm）4500截割点机功率（kW）120截割面积（m2）23油泵电机功率（kW）75截割头卧底量（mm）340供电电压（v）AC1140表2-1 EBZ120掘进机整机参数截割部参数如表2-2所示：截割头形状圆锥台式截割头伸缩量（mm）510截割轴形式纵轴式截齿参数（mm）38截割头尺寸（mm）884830截割头转速（r/min）37截齿数量36喷雾内、外喷雾方式表2-2 截割部参数2.2.2回转台参数选择参考2.2.1中的佳木斯煤矿机械有限公司的EBZ120掘进机的相关参数，可以为掘进机回转台的相关参数选定一暂定数值。（1）由已知数据得，截割部叉形架的两臂间距以及安装抬升油缸位置的间距为1070，可以将回耳架两侧安装抬升油缸的孔间距定为1070。（2）回转台两侧分别有两个孔，用于安装回转油缸，两孔之间的距离由机架的参数确定，查阅相关参数，确定为1150。（3）考虑到回转台整体的重量，材质以及回转支承的型号，选定回转台壁厚为40。（4）浇铸位置，详情见2.5（5）进线孔由于考虑到壁厚已经选定为40mm的原因，进线孔会比较大，由此放弃完成回转台铸件后再打孔的方式，在浇铸的时候就要把进线孔一起成形。（6）其他详细参数会在工程图纸中一一进行标记。2.3液压油缸的安装设计1.确定系统压力P为回转机构选择适合的油缸型号时，按照液压油缸选择原则，需要先确定工作时的油缸压力。机械设备在工作时的载荷大小和设备类型决定了油缸的压力P。除此之外还要考虑设备能够提供给液压油缸的装配空间、设备制造的经济性及元件供应情况等。如果载荷一定，工作压力较低时，就需要加大执行元件的结构尺寸。但是也并不是压力选取越大越好，有些比较特殊的设备会有一些特殊情况不能安装尺寸太大的执行元件。而且就算是常规的机械设备，如果压力选择得太高，那对于液压油缸的油泵、活塞杆、支架等原件要求很高，否则就会承受不住巨大的压力。对材料的要求变高，那成本自然也会变高，毫无经济性。压力选择可以参考下表2-3与表2-4。负载/t0.50.5-11-22-33-55工作压力（MPa）0.1-11.5-22.5-33-44-5大于5表2-3 根据负载选择液压缸设计压力主机类型设计压力机床精加工机床0.8-2半精加工机床3-5龙门刨床2-8拉床8-10农机机械、小型工程机械10-16液压机、大中型挖掘机、中型机械、起重运输机械20-32地质机械、冶金机械、铁路维护机械25-100表2-4 根据主机类型选择液压缸设计压力由表可得，液压缸设计压力可以初步选定为20-32MPa。2.初选缸径D/杆径d表2-5 理论出力参照表3.行程S选择液压油缸的第三步是确定行程s，其确定原则如下：（1）行程S=实际最大工作行程Smax+行程富裕量S ;行程富裕S=行程余量S1+行程余量S2+行程余量S3。（2）想要确定行程S，需要先确定行程富裕量S确定行程富裕量S所需要考虑的条件：系统结构安装尺寸的制造误差、需要的行程余量S1、液压缸实际工作时在行程始点可能需要的行程余量S2和终点可能需要的行程余量S3。（3）有的机械设备属于特殊情况比如液压缸出现超出掘进机各型号所允许的最长行程的情况，此时需针对其具体工况对液压缸进行校核，确保其稳定性。4.选定安装方式液压油缸的安装方式有很多，包括以下几种：（1）法兰安装法兰安装是指在安装位置通过法兰盘将油缸安装到设备上。适用法兰安装的设备，在工作时液压缸的推力与支承中心处于同一轴线。（2）铰支安装铰支安装也是液压油缸的安装方式之一，其还可以细分为以下（a）（b）（c）（d）四种类型。（a）尾部单（双）耳环安装尾部单耳环安装。液压缸的作用力是用来推动设备结构元件沿同一平面呈曲线运动，采取铰支安装。而采用尾部单耳还是双耳环安装主要取决于活塞杆儿角度是否超过3。不超过才可以采用尾部单耳环安装。如果设备工作时，液压缸的作用力是用来推动设备结构元件，且活塞杆沿曲线轨迹运动，可以采用尾部双耳环安装。与单耳环安装不同的是，采用尾部单耳还是双耳环安装主要取决于活塞杆儿角度是否超过3。超过可以采用双耳环。（b）中部耳轴安装中部耳轴安装是最常用的铰支安装方式之一，中部耳轴安装是指在油缸端部与尾部之间的任意位置安装一个是耳轴用来和设备机构连接。在采用中部耳轴安装是需要注意：当设备在工作中需要承受弯曲应力时，需要加装一个带有支承轴承的刚性支承座，因为耳轴销只能承受剪裁应力。（c）尾部耳轴安装尾部耳轴安装，顾名思义耳轴的位置处于液压缸尾部。如果设备工作时，液压缸发出推理使得活塞杆沿曲线轨迹运动，可以采用尾部耳轴安装。（d）端部耳轴安装端部耳轴安装是指在油缸尾端安装一个耳轴用于连接设备。只有杆径较大的液压缸才能采用中、尾部耳轴安装，对于杆径更小一些的液压缸，就必须采用端部耳轴安装了。采用此种安装方式时，如果油缸行程较长，液压缸悬垂重量就会对设备影响较大，不可忽略。所以，采用该种安装方式的液压缸，其行程最好控制在缸径的5倍以内。（3）脚支架安装与铰支安装相反，如果设备工作时，脚支架安装的安装平面与液压油缸的轴线不在同一平面。因为这种特殊的安装方式，液压油缸输出时，油缸将产生一个翻转力矩，这个反转力矩作用到活塞杆上，对于活塞杆是一个重大的考验，所以如果选择了脚支架安装，就确定设备元件在安装时足够稳定、牢固。脚支架可以安装在端部和侧面两处位置。5.端位缓冲的选择只有设备使用中出现下列工况时，才需要考虑选择端位缓:（1）液压缸在最大功率、完全行程的方式运行时，活塞的往返速度大于100mm/s，这种情况应选择两端缓冲。（2）液压缸活运行时活塞速度大于100mm/s且活塞会运行至行程端位，此时应选择一端或两端缓冲。（3）其他特定工况，具体问题具体分析。6.选定结果综上所述，液压油缸选用功率为75kw的柱塞变量双泵A11VLO130+A11VLO130。安装方式为尾部单耳环安装，一端缓冲。另。如表2-6所示，所选定液压缸，内径90，外径140，壁厚25，重量70.9kg。内径外径壁厚质量6375610.21100-11532-6063787.513.0410010637.62324043.5563808.514.991001073.58.93404844.3463831018100108410.26405055.55657558.63100110512.9540501012.33701001531.441051402059.18455344.83105115513.564555 56.177510012.526.97455767.55781021226.63120-15045607.59.7180-96120130515.415056 33.92808636.141201378.526.39506056.78808848.291251323.511.0950636.59.068090510.48130140516.6550657.510.6380936.513.8750701014.88510610.524.73160-2008511012.530.05160168416.18608512.522.3590100511.71160170520.3461-791651951566.5863703.55.74901402570.91702081988.55637358.38951171128.25表2-6 常用标准缸筒尺寸及重量2.4回转支承型号的选择回转支承安装在回转耳架的正下方，用于固定回转台，掘进机能否正常运行，很大程度取决于回转支承选定的型号是否适合。掘进机在工作时，截割头发力的同时会受到阻力，阻力传递到回转台是就变成了远程轴向阻力、径向阻力以及倾覆力矩，其受力简图如图2-3所示。截割头上所收到的圆周阻力在做受力分析时要简化到截割头的中心点，这个圆周力可以分成两个方向飞力，即轴向力和径向力： Fzmax=F=1.913PDn （1）Fymax=KTFzmax （2）式中：P截割头电机功率，即掘进机功率（kw）D截割头直径（m）N截割头转速（r/min）KT截割头的影响系数，横轴式截割头KT=1.15，纵轴式截割头KT=0.5图2-3 回转支承受力简图将表2-2的数据代入（1）（2）两式，可得：Fzmax=F=1.913PDn=1.913120370.884=433KNFymax=KTFzmax=0.5*433=216KN所以，回转支承承受的轴向力：Fa=Fzmax+G=433+5.3*10=486KN径向力：Fr=Fymax=216KN倾覆力矩：M=FzmaxBmax+GAmax-FymaxC在静态工况计下画出承载曲线图，如果计算出来的当量轴向力以及倾覆力矩，两条线的交点，落在所选回转支承静态承载曲线的下方附近，则表明选用该型号的回转支承的设计是合理安全的18。动态工况计算出来的当量轴向力和当量倾覆力矩，同理如此。2.5回转台制造工艺的选择2.5.1铸造与焊接关于回转台的制造方法，有两种工艺可供选择铸造与焊接。（1）铸造是工业生产中一种常用的制造方法，在机械制造生产中比重很大。为获得要求的形状与性能，人们把金属熔炼成液体，注入一个想要形状的模型内，这种制作工艺就叫做铸造。其优点是成本较低，经济性高，缺点是精度较低。当所需零件形状复杂或者体型较大时，一般会采用铸造的方式。虽然铸造有着精度低的特点，但是现如今随着技术的不断发展，铸造工艺面对生产实践中的高要求，也开始变得越来越精密化、越来越大型化、越来越高质量、越来越自动化和清洁化。（2）焊接是指通过高温高压使两个零件接触部位融化后连接在一起的一种工艺，焊接后两零件的连接处是属于原子层面的结合。焊接在机械制造生产中同样应用非常广泛，但是却有着致命的缺点，零件的力学性能会被改变。相比起来铸造成本更低，效率高。综合多方面考虑，本次设计采用铸造的方式完成对回转台的加工。2.5.2回转台铸造工艺分析选定使用铸造工艺后需要考虑使用铸造工艺加工回转台的一些具体原则。首先是回转台的技术要求：铸件表面的粗糙度有一定要求，不允许出现飞边、毛刺等现象，会影响外观，面粗糙度Ra100m；回转台内部不允许出现裂纹、缩孔等，这些缺陷会影响铸件质量；圆角R1015；所有加工面要求超声波探伤，按GB7233质量等级方法执行，其平面型缺陷及非平面型缺陷的质量等级均应达到II级19。另外对于加工出来的回转台硬度也有一定的要求。要求高意味着成本就要提高，如何在加工精度与经济性之间平衡是一个需要考虑的问题。除此之外，采用铸造工艺作为回转台的加工方式，还需要考虑到回转台在加工过程中还存在铸造生产时所需要的凝固时间较长，铸件组织晶粒粗大，容易产生缩孔、变形等铸造缺陷。还要考虑到浇注系统。回转台的受阻收缩率可由查表2-7得：受阻收缩率定为1.7%，自由收缩率定为2.2%。铸件种类收缩率铸钢受阻收缩自由收缩碳钢、低合金结构钢1.5-1.71.6-2.2奥氏体、铁素体钢1.5-1.91.8-2.3表2-7 常用铸造合金收缩率（%）本文在设计回转台时考虑到了浇注系统，回转台内部结构如图2-4所示。图2-4 回转台剖视图3回转台三维建模与强度校核3.1Solid Works软件介绍3.1.1Solid Works的背景和发展1993年，Solid Works公司成功研发出了一款三维设计软件Solid Works，无论是优秀的操作界面，还是简洁方便的图形绘制功能，亦或是强大的有限元分析功能，在用户的实际体验中多获得了一致好评。Solid Work作为一款三维制图软件，他的目标用户自然是工程设计领域的单位、个人。这些人员使用后都表示Solid Works是三维CAD领域的领先者。其操作灵活、方便、简单，反应速度快，自然会在市场上获得了用户的致好评，20多年过去，目前Solid Works俨然成为了三维机械制图领域里的重要应用软件。Solid Works在设计开发领域应用广泛，原因在于Solid Works强大的三维建模功能以及良好的模拟环境，可以大大加快产品的研发周期和生产周期，这正是许多领域团体急需的要求。3.1.2Solid Works主要设计特点（1）模型的真实性对于三维设计软件来说，最重要的就是真实性，确保建模的真实性，才能够清晰地表达模型的形状和零部件之间的位置关系，真实有效地表达工程设计人员的具体设计思想。在这一点上来说，Solid Works无疑做的是很好的，这也真是Solid Work的区别于其他三维设计软件能够脱颖而出的原因。（2）便捷性Solid Work在设计时，设计人员充分考虑到了用户体验感。他们秉持这人性化的理念。Solid Work的人性化具体体现在软件操作中的方方面面，其中最突出的就要数特征功能。动动手指，简单的一些步骤就可以完成用户所需要的完成的复杂操作，例如：绘制草图后点击相应的特征（例如拉伸、切除等），就可以得到想要的特征，修改特征时只需要右击所要修改的特征，然后编辑特征定义就可。（3）数据库单一Solid Work有一项非常实用的功能，就是可以进行三维建模与二维制图之间的图形转换，并且是无缝式的转换。Solid Work中的三维图形均可以通过一个功能自动转换成二维图纸，转化得到的图纸所有的尺寸都是和原本实体模型相同的。这种功能可以实现的前提就是Solid Work的数据库是单一的。反过来如果用二维图纸来自动生成三维模型同样可以实现。如果三维实体模型的尺寸被修改，二维图纸中的相对应的尺寸也会自动进行变化以和三位模型之间的尺寸配套，这种单一性大大避免了由于某一个尺寸改变而需要逐步一一修改其他尺寸的麻烦，既节约了大把时间，同时还避免了修改时因为操作人员主管上的失误而疏漏的问题，大大提高了设计人员的工作效率 20。3.2利用Solid Works对回转台三维建模3.2.1建立回转台模型（1）在Solid Work中新建零件，选定上视基准面，绘制草图。以坐标系原点为圆心画出一个直径为1040mm的圆，点击拉伸特征，以y轴正方向给定深度拉伸90mm。得到凸台-拉伸2（拉伸1为建模过程中出现的一次错误步骤已删除，所以第一特征为拉伸2）。（2）凸台-拉伸3。选定拉伸得到的凸台1上平面，绘制草图。画出一个以点（0,90,0）为圆心，直径为750的圆。点击拉伸特征，给定深度（250mm）向上拉伸，由于考虑到铸造时的拔模情况，选择拔模6（拔模最小角度为3）。合并结果。（3）切除-拉伸5。将视角变换为下视，选定底面，绘制草图。在草图中绘制一个以原点为圆心直径为680的圆，点击拉伸切除特征，给定深度（300mm）向y轴正方向切除（回转台总高340，壁厚40，故切除300）。与第（2）步同理，选择拔模6。合并结果。（4）切除-拉伸7。将视角转换为上视，选定最顶端平面，绘制草图。在草图中绘制一个以（0,340,0）为圆心，直径为400的圆。点击拉伸切除，给定深度20mm。（5）拉伸-切除8。在刚刚拉伸切除7之后得到的平面上绘制草图。以（0,320,0）为圆心，绘制一个直径为325mm的圆，选择完全贯穿（或给定深度20mm）。（6）凸台-拉伸6。选择凸台拉伸2之后得到的平面，绘制草图。在草图上绘制一个如图3-1所示的图形，点击拉伸特征，方向一选定为成型到一面（有凸台拉伸3后得到的平面），方向二选定为给定深度（40mm）。合并结果。 图3-1 凸台-拉伸6的草图展示 图3-2 凸台-拉伸7（7）凸台-拉伸7。选择凸台拉伸2之后得到的平面，绘制草图。在草图平面上绘制一个如图3-2所示的图形（用于连接回转油缸的耳架）。从等距140的地方开始，给定深度（50mm）向y轴正方向拉伸，合并结果。（8）凸台-拉伸8。以第（7）步的草图为基准，点击拉伸，给定深度（40）想y轴负方向拉伸，合并结果。（9）切除-拉伸15。由于第（6）步完成后与第三步的特征冲突，所以重复一遍步骤（3）。合并结果。（10）凸台-拉伸9。选定凸台拉伸7得到的平面，绘制草图。以凸台拉伸7的边线为基准，三点画圆，得到圆之后选择拉伸。方向一给定深度10mm向y轴正方向，方向二给定深度73向y轴负方向。合并结果。（11）凸台-拉伸10。选择下方平面绘制草图，草图同上，给定深度23mm，向y轴正方向拉伸。合并结果。（12）切除-拉伸9。仍然选取凸台拉伸7得到的平面，绘制草图，绘制一个直径为90的，第十步草图中圆的同心圆，拉伸切除，完全贯穿，得到一个贯穿孔，合并结果。（13）凸台-拉伸11。如图3-3，选择平面，绘制如图所示的草图，成形到一面。合并结果。 图3-3 凸台-拉伸11 图3-4 切除-拉伸10（14）切除-拉伸10。按照回转台的轮廓切除多余部分，绘制草图，完全贯穿合并结果。（15）切除-拉伸11。选择凸台拉伸11后得到的平面，绘制草图（如图3-4）。从等距38mm开始给定深度114mm向z轴正方向拉伸。（16）凸台-拉伸12。仍然与上一步同一平面，绘制草图，沿平面轮廓三点画圆画出两个圆，点击拉伸特征，方向一给定深度10mm，方向二给定深度48mm。合并结果。（17）凸台拉伸13、14。与（16）同理，在另一个方向对称拉起两个凸台。（18）切除-拉伸12、13。在草图上分别绘制两个同心圆，点击切除特征，完全贯穿。（19）切除-拉伸17。选定凸台-拉伸3后成形的平面，绘制如图3-5所示草图，从等距100处给定深度（150mm）想y轴负方向切除。合并结果。 图3-5 切除-拉伸17 图3-6 切除-拉伸14（20）切除-拉伸14。如图3-6所示。（21）M20螺纹孔1，M20螺纹孔2分别在需要固定的地方添加螺纹孔。（22）拉伸-切除28。建立基准面1（选择左视基准面），将整个零件沿基准面将未完成的左半部分全部切除。（23）镜像1。以基准面1（左视基准面）为基准，进行镜像。这一步已经可以得到大致的回转台模型。（24）切除-拉伸26。选择对应平面，在草图中绘制放线孔的轮廓，成形到一面（回转台内壁构成的曲面）切除。（25）倒角。将所有需要倒角的地方倒角。对一些细节进行修改，最终完成的回转台模型如图3-7所示。图3-7 回转台模型3.3强度校核3.3.1简化模型悬臂式掘进机回转台零件上有许多螺纹螺孔，小凸台小孔，如果将每一个细节都表达出来，则有限元分析时对计算机的算力要求会较高。因此，需要对回转台模型进行一定程度的简化，将分析重点以外的其他特征简化压缩，这样并不会影响分析结果。据本课题需求，将简化以下几点：（1）为了减少计算机运算量，提高运算速度，需要简化回转台底座上的36个螺纹孔。这样大大减少了需要运算的时间，还避免了网格划分失败以及受力分析中出现应力集中。（2）回转台顶部还有四个小凸台用于安装，在受力分析中对于分析结果没有丝毫影响，为减少运算量，可以简化压缩。（3）所有的螺纹孔都应简化压缩，以免划分网格失败。经过简化后的模型如图3-8所示。图3-8 回转台简化模型3.3.2划分网格网格如何划分对于有限元计算的精度和结果有很大影响。客观上来说，网格划分的越细密，分析出来的结果精度也就越高。但是并不是越细越好，如果网格划分细密到一定程度，对于计算机来说，计算出这种结果是一个巨大的考验，以普通计算机的算力，显然是无法完成这样一想艰巨的任务的。如果网格划分的太粗，计算机会在很快的时间就完成运算，但是有限元分析的结果精度可想而知，根本满足不了实验要求。因此划分网格时需要均衡结果精度与计算机算力两个方面。本次课题研究划分完网格后有限元模型如图3-9所示。图3-9 网格划分结果3.3.3载荷加载1.载荷计算回转台后方两侧分别安装有两个推拉油缸。两个油缸工作时，一个向前推，另一个向后拉，从而实现回转台的左右转动。当截割部居中，处于水平位置时，两侧油缸均充满液压油；当截割部摆到偏左侧时，左侧油缸受到拉力，右侧油缸受到压力；而截割部摆到偏右侧时的情况恰好与左侧时完全相反。回转台在工作时主要承受的以下几种交变载荷：截割臂自重、截割头远程传来的来自煤岩的阻力、升降油缸的推力和反作用力以及两个回转油缸的推力和拉力当这些力全部一起加载到回转台上时，此时还会产生倾覆力矩以及水平、垂直两个方向传来的载荷，引起回转台出现受力不均的状况。所以如果要研究剖析回转台的具体受力状况，就必须要将截割机构和回转机构作为整体考虑。回转台所承受的力为空间力系。如图3-10所示为本文所设计EBZ120掘进机的回转机构受力分析。图中：Ft、Fr、Fa分别表示煤层岩壁作用于截割头上的的切向阻力、径向阻力以及轴向阻力；M是由截割头通过截割臂传递到回转台上的截割阻力矩；Mxy、Myz、Mxz、Qx、Qy、Qz分别表示回转机构承受的来自回转轴承的力矩和支撑力；T1表示左右回转油缸的输出力，T2表示升降油缸的输出力:；G表示截割部的总体重力，其中包括叉形架、截割臂、升降油缸、截割头等；Ax、Ay、Az表示截割部叉形架作用在回转台支耳上的支撑力。 图3-10 受力分析简图强度校核选取掘进机工况为：截割臂处于水平位置，即=0，=0，=21.7已知截割头功率为120kW，转速为37r/min。由公式（1）（2）可得Fzmax=F=1.913PDn=1.91312037/600.884=433KNFymax=KTFzmax=0.5*43.3=216KN所以，回转支承承受的轴向力：Fa=Fzmax+G=433+5.3*10=486KN径向力：Fr=Fymax=216KN2.加载载荷点击Solid Works的Simulation功能。（1）选择材料ZG270-500。（2）固定几何体，将连接回转油缸的耳架上四个曲面固定。（3）选择夹具滚柱/滑杆，固定回转台与回转支承连接的部位。（4）选择夹具固定铰链，固定回转支承回转面。（5）在点（3600，340,0）处添加远程载荷3.3.4强度校核结果强度校核结果如图3-11所示。图3-11 有限元分析结果如图，有限元分析结果显示回转台在极限工况下，最大应力为77.9MPa，屈服力为220.6。本次设计回转台所采用的材料为ZG270-500，其屈服强度s270MPa。取安全系数n=1.5，则许用应力：=sn=2701.5=180MPa有限元分析结果中，回转台的最大应力为77.9MPa，远远小于许用应力180MPa，该校核结果表明，回转台符合设计要求。4回转台的有限元分析4.1截割头位于最左侧位置时回转台的静应力分析假定工况一：掘进机的截割臂处于最高位置，无左右摆动，即=0，=36，=载荷计算如图3-10的受力分析图，在该工况下，截割臂摆到左侧极限位置，根据佳木斯公司EBZ120型掘进机的参数以及本文设计的回转台参数，已知截割部长度S为3600mm，=36。则远程载荷的位置（即截割头的坐标）为：X轴：x=cos36*3600=2912Y轴：由于截割臂处于水平位置，y=250Z轴：z=-sin36*3600=-21164.1.2载荷加载并进行分析点击Solid Works的Simulation功能。（1）选择回转台的材料为ZG270-500。（2）固定几何体，将连接回转油缸的耳架上四个曲面固定。（3）选择夹具滚柱/滑杆，固定回转台与回转支承连接的部位。（4）选择夹具固定铰链，固定回转支承回转面。（5）在点（2912，250,-2116）处添加远程载荷。4.1.3有限元分析结果图4-1 工况一应力分布该工况下回转台的有限元分析结果如图4-1所示，其最大应力为84.3MPa，远远小于最大许用应力180MPa，出现在回转台连接回转油缸的两个耳部。图4-2 回转台工况二总位移图图4-2为该种工况下，回转台的总位移分布图，从图中可以看出，回转台的最大变形发生在连接抬升油缸的两个耳部和连接叉形架的两个耳部，此位置为横摆运动时最危险的区域。4.2掘进机截割头位于最高位置时回转台的静应力分析假定工况二：掘进机的截割臂处于最高位置，无左右摆动，即=55，=0，=604.2.1载荷计算如图3-10的受力分析图，在该种工况下，截割臂摆到上方极限位置，左右两侧无摆动，根据佳木斯公司EBZ120型掘进机的参数以及本文设计的回转台参数，已知截割部长的总长S为3600mm，=55。则远程载荷的位置（即截割头的坐标）为：X轴：x=cosS=cos553600=2064Y轴：y= sinS-250=sin553600-250=2698Z轴：z=04.2.2载荷加载点击Solid Works的Simulation功能。（1）选择回转台的材料为ZG270-500。（2）固定几何体，将连接回转油缸的耳架上四个曲面固定。（3）选择夹具滚柱/滑杆，固定回转台与回转支承连接的部位。（4）选择夹具固定铰链，固定回转支承回转面。（5）在点（2064，2698,0）处添加远程载荷。4.2.3有限元分析结果图4-3 工况二应力分布该工况下回转台的有限元分析结果如图4-3所示，其最大应力为150.6MPa，仍小于最大许用应力，应力最大的区域出现在回转台连接叉形架的两个耳部附近。图4-4 工况二总位移分布图图4-4为该种工况下，回转台的总位移分布图，从图中可以看出，回转台的最大变形发生在连接抬升油缸的两个耳部，此位置为纵摆运动时最危险的区域。5总结本文以EBZ-120掘进机为研究对象，以市面上现存的该型号掘进机为参考，设计出适用于EBZ-120掘进机的可靠的铸造型回转台。并用Solid Works软件建立三维实体模型，利用有限元分析校核了该设计稳定可靠。为了完成设计，主要做了以下几点工作：（1）对回转台的整体结构进行设计，包括回转耳架选型、参数设计、回转支承选型、加工方式选择。（2）利用Solid Works软件对所设计回转台三位建模并进行了强度校核，经过校核可以证明本文设计的回转台安全可靠。（3）对回转台进行了有限元分析，分析出各种工况下回转台各位置受力情况与应力分布。完成这些工作后可以得出以下结论：（1）利用Solid Works建模可以有效减少设计所需时间，提高效率，并且减少了失误率。（2）掘进机在工作时，不同工况下回转台的应力分布不同，但是最大应力出现的位置往往都是回转台上几个耳环的位置。（3）有限元分析结果表明，回转台连接抬升油缸的耳部无论在什么工况下都是最容易出现变形的位置。参考文献1 贤集网，/news/details_229015.html.2 王步康.煤矿巷道掘进技术与装备的现状及趋势分析J.煤炭科学技术,2020,48(11):1-11.3 孟彪.EBZ-160HN掘进机截割部密封改造J.能源与节能,2014(07):177-178.4 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EBZ-132型纵轴式掘进机虚拟样机建模与动力学分析D.中国地质大学,2013.6 刘德. EBZ-300型纵轴式掘进机回转机构优化设计的研究D.太原理工大学,2018.7 陶永芹.浅谈悬臂式掘进机发展趋势J.矿山机械,2005(11):14-15+5. 8 王翠艳. EBZ-135型悬臂式掘进机回转台的优化设计D.太原理工大学,2010.9 黄日恒.悬臂式掘进机M.中国矿业大学出版社，1996.10韩帮强,张安宁.EBH-120型掘进机回转台的设计与应力分析J.煤矿机械,2007(09):74-75.11吴国平.ebz220SZD800/11G型掘进机回转机构有限元分析J.机械管理开发,2020,35(07):61-62+64.12宋若杰.EBJ-150B型掘进机回转平台结构强度分析与优化J.机械工程与自动化,2020(06):64-65.13吴成亮.掘进机回转台结构分析与优化改进研究J.机械管理开发,2020,35(11):104-106.14盖巍巍,席亚兵,樊志家.掘进机回转台开裂故障分析及改进J.矿山机械,2021,49(03):18-21.15刘万里.煤矿掘进机回转台开裂原因分析及预防措施研究J.中国石油和化工标准与质量,2020,40(09):
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