EBH—360型掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺的優(yōu)化設(shè)計(jì)及模態(tài)分析

【摘要】本文基于回轉(zhuǎn)臺實(shí)際工作時的受力情況及相關(guān)文獻(xiàn)為依據(jù)，對回轉(zhuǎn)臺進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行有限元應(yīng)力分析和動力學(xué)模態(tài)分析，證明其結(jié)構(gòu)合理性，從而為生產(chǎn)廠家降低制造成本，提高利潤提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】回轉(zhuǎn)臺；有限元應(yīng)力分析；模態(tài)分析

1.引言

回轉(zhuǎn)臺是EBH-360型掘進(jìn)機(jī)的重要部件，它的合理結(jié)構(gòu)決定掘進(jìn)機(jī)的工作性能及整機(jī)的穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度不足將造成截割性能的降低和疲勞斷裂。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，回轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)主要靠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行，為了增大回轉(zhuǎn)臺的強(qiáng)度，安全系數(shù)的選擇往往偏大。因而回轉(zhuǎn)臺的優(yōu)化設(shè)計(jì)將成為必然，它能夠?yàn)樯a(chǎn)廠家降低制造成本、為今后掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺的生產(chǎn)創(chuàng)造更多的利潤[1]。

2.回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

本文根據(jù)回轉(zhuǎn)臺實(shí)際工作時的受力情況及相關(guān)文獻(xiàn)可知應(yīng)力最大位置在回轉(zhuǎn)臺與截割臂相連的銷軸孔后側(cè)，變形最大位置在和升降液壓缸連接的兩側(cè)角耳耳環(huán)處，但對于不同工況，最大位移會出現(xiàn)在不同側(cè)的耳環(huán)處，從而對回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下優(yōu)化：

1）在滿足鑄造的條件下，增大回轉(zhuǎn)臺與截割臂相連的銷軸孔后側(cè)根部的倒圓角，以及回轉(zhuǎn)臺與升降油缸、回轉(zhuǎn)油缸相連的銷軸孔后側(cè)的倒圓角，以減少局部極限應(yīng)力；

2）其次將回轉(zhuǎn)臺上平面的半徑尺寸由715改為700，以減少整體的重量305千克。

3.回轉(zhuǎn)臺的有限元應(yīng)力分析

本文根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)直接在ANSYS中建立回轉(zhuǎn)臺的三維模型，為有利于有限元分析，對其進(jìn)行合理簡化，將不必要的小孔、凸臺、沉孔、倒圓角等都去掉。選用Solid45單元，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元尺寸長度為40 mm，劃分完網(wǎng)格。本文根據(jù)回轉(zhuǎn)臺工作的實(shí)際情況確定兩個極限位置：（1）截割臂處于水平位置，向右擺動；（2）右側(cè)截割頭受力，截割臂處于垂直力最大位置；最終分析所得的結(jié)果如圖1、圖2，

由圖1可知，回轉(zhuǎn)臺的最大應(yīng)力為147MPa，位于回轉(zhuǎn)臺和升降液壓缸連接的耳環(huán)處，圖2可知，回轉(zhuǎn)臺的最大的應(yīng)力為111MPa，位于回轉(zhuǎn)臺和升降液壓缸連接的角耳下側(cè)（標(biāo)MX位置），和液壓缸連接的耳環(huán)處應(yīng)力也比較大，但都遠(yuǎn)小于材料本身的安全許用應(yīng)力。

4.回轉(zhuǎn)臺的模態(tài)分析

掘進(jìn)機(jī)在截割煤巖時，截割頭受力復(fù)雜，截割載荷變化大，而載荷的落腳點(diǎn)就在回轉(zhuǎn)臺上，因此容易引起掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺較大的振動，從而降低掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺的使用壽命，影響掘進(jìn)機(jī)的工作可靠性，以至于增加維修工作量，所以對優(yōu)化后的掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺的固有頻率及振型進(jìn)行研究顯得尤為重要[2]。

ANSYS中的模態(tài)分析是線性分析，在模態(tài)分析中只有線性行為是有效的。任何非線性特性，將被忽略。一個典型的模態(tài)分析過程包括：建立有限元模型、加載及模態(tài)求解、擴(kuò)展模態(tài)以及觀察結(jié)果四個步驟。在通用后處理器中可以對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行列表或圖形顯示，通過顯示結(jié)構(gòu)變形圖可以查看擴(kuò)展的振型，最終分析結(jié)果如下[3]：

一階頻率為165.16Hz，水平彎曲振型，回轉(zhuǎn)臺與左側(cè)升降油缸相連的銷軸孔前部變形最大。

二階頻率為168.72Hz，水平彎曲振型，回轉(zhuǎn)臺與右側(cè)升降油缸相連的銷軸孔前部變形最大。

三階頻率為320.82Hz，水平彎曲振型，回轉(zhuǎn)臺與左側(cè)升降油缸相連的銷軸孔前部變形最大。

四階頻率為322.74Hz，水平彎曲振型，回轉(zhuǎn)臺與右側(cè)升降油缸相連的銷軸孔前部變形最大。

五階頻率為430.74Hz，彎扭結(jié)合振型，回轉(zhuǎn)臺與兩側(cè)升降油缸相連的銷軸孔扭轉(zhuǎn)變形最大，其次是回轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)油缸相連的耳板端部，同時都有較大的水平彎曲變形。

六階頻率為455.27Hz，垂直彎曲振型，回轉(zhuǎn)臺與兩側(cè)升降油缸相連的耳板垂直變形最大，其次是回轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)油缸相連的耳板端部。

七階頻率為575.27Hz，彎扭結(jié)合振型，回轉(zhuǎn)臺與兩側(cè)升降油缸相連的銷軸孔扭轉(zhuǎn)變形最大，其次是回轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)油缸相連的耳板端部，同時都在水平方向還有較大的彎曲變形。

八階頻率為581Hz，垂直彎曲振型，回轉(zhuǎn)臺與兩側(cè)升降油缸相連的耳板垂直變形最大，且兩對耳板彎曲的方向正好相反。

九階頻率為802.7Hz，彎扭結(jié)合振型，回轉(zhuǎn)臺與兩側(cè)升降油缸相連的耳板扭轉(zhuǎn)變形最大，其次是回轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)油缸相連的耳板端部，同時都還有較大的水平彎曲變形。

十階頻率為804.27Hz，彎扭結(jié)合振型，回轉(zhuǎn)臺的其它部位都有不同程度的扭轉(zhuǎn)變形，且回轉(zhuǎn)臺與兩側(cè)升降油缸相連的耳板與回轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)油缸相連的耳板端部的扭轉(zhuǎn)變形最大，同時回轉(zhuǎn)臺與右側(cè)升降油缸相連的耳板還有較大的水平彎曲變形。

通過對優(yōu)化后的回轉(zhuǎn)臺進(jìn)行模態(tài)分析得出回轉(zhuǎn)臺的固有頻率在165.16Hz以上，而大型礦用掘進(jìn)機(jī)的截割頭載荷頻率的主頻段一般在5Hz以下，本文回轉(zhuǎn)臺的固有頻率遠(yuǎn)大于截割頭載荷頻率的主頻段，由此可知優(yōu)化后的回轉(zhuǎn)臺發(fā)生共振可能性很小。另外從回轉(zhuǎn)臺的十階振型圖也可看出回轉(zhuǎn)臺與兩側(cè)升降油缸相連的耳板和回轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)油缸相連的耳板端部的變形比較大，但仍在允許范圍內(nèi)，所以掘進(jìn)機(jī)仍可以正常安全的工作。

5.結(jié)論

本文對優(yōu)化后的回轉(zhuǎn)臺進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，得出危險工況下的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料本身的安全許用應(yīng)力，然后再對其進(jìn)行動力學(xué)模態(tài)分析，得出其固有頻率在165.16Hz以上，遠(yuǎn)大于掘進(jìn)機(jī)的截割頭載荷頻率的主頻段，由此可知回轉(zhuǎn)臺發(fā)生共振的可能性很小，最終確定回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)合理，從而為生產(chǎn)廠家降低制造成本，提高利潤提供更多的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]程佳，毛君，關(guān)滿杰等.EBZ-160型掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺的有限元應(yīng)力分析[J].煤礦機(jī)械，2008，11：61～62

[2]鄭德勝.EBH—132型懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵零部件的應(yīng)力分析研究[D].吉林大學(xué)學(xué)位論文，2006

[3]祝效華，余志祥，李賢鋒等.ANSYS高級工程有限元分析范例精選[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004，10

作者簡介

關(guān)滿杰（1974-），男，遼寧鐵嶺人，大學(xué)本科學(xué)歷，現(xiàn)工作于65667部隊(duì)。