EBZ160掘進機回轉(zhuǎn)臺實際工況有限元分析及優(yōu)化

呂宏偉　王潤溥

摘 要：對EBZ160掘進機在某煤礦井下，實際切割300m單向抗壓強度80～100MPa全巖巷道，掘進機回轉(zhuǎn)臺出現(xiàn)的破損情況，采用AnsysWorkbench軟件對回轉(zhuǎn)臺進行有限元計算，分析掘進機回轉(zhuǎn)臺斷裂形成原因，并根據(jù)計算結(jié)果，對回轉(zhuǎn)臺材質(zhì)及部分零件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。本研究為EBZ160掘進機進行向抗壓強度80～100MPa全巖巷道經(jīng)濟切割提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：EBZ160掘進機回轉(zhuǎn)臺；單向抗壓強度80～100Mpa硬巖；全巖巷道切割；AnsysWorkbench有限元分析

我國是世界煤炭第一生產(chǎn)和消費大國，煤炭在我國的一次能源中占有及其重要的地位。EBZ160掘進機是適合緩傾煤層條件下使用的半煤巖掘進機，經(jīng)濟切割煤巖的單向抗壓強度≤80MPa，適用于煤、半煤巖或巖層的切割。該掘進機是為綜采工作的采準巷道綜掘作業(yè)提供的綜掘設(shè)備，具有高效、較高的適應(yīng)性、高可靠性的產(chǎn)品。但是，在掘進機實際使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)短則數(shù)米長則幾百米的單向抗壓強度80～100MPa全巖巷道，該對掘進機的過巖層能力提出了嚴格的考驗。

1 巷道地質(zhì)條件及掘進機使用工況

1.1 巷道地質(zhì)條件

該掘進機在某煤礦西-801回順巷進行井下工業(yè)性考核，累計運行86天，共掘進783米，西-801回順巷沿走向：巖和半煤巖構(gòu)造斷層處為沙巖，煤層1.5-1.8m上部和頂板泥巖，細沙巖，粉沙巖；下部和底板泥巖，粉沙巖。沿走向250m和西-801回風道61m近乎全巖（如圖1所示），巖石單向抗壓強度80～100MPa，很少有煤線出現(xiàn)。

1.2 掘進機使用工況

在西-801回風道61m全巖切割過程中，出現(xiàn)回轉(zhuǎn)臺斷裂情況。如圖所示，掘進機回轉(zhuǎn)臺裂紋沿左側(cè)中部延伸至右側(cè)螺紋孔處，下部回轉(zhuǎn)支承聯(lián)接止口撕裂。沿裂縫處附近回轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)支承聯(lián)接螺栓斷裂，斷裂處在螺栓帽根部。

因此判斷回轉(zhuǎn)臺失效部位先后順序，并取得工作時回轉(zhuǎn)臺工作時各部位應(yīng)力準確數(shù)據(jù)，對該回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)及使用選材優(yōu)化有著重要意義。

2 回轉(zhuǎn)臺建模及有限元分析

AnsysWorkbench是一個有限元軟件平臺，它包含了固體分析、流體分析、熱分析、電磁場分析四個部分，對于固體分析，有靜力學分析和動力學分析，利用靜力學分析中的static structural模塊對回轉(zhuǎn)臺進行模型預處理及求解，以取得結(jié)構(gòu)及材料優(yōu)化所需的精確數(shù)據(jù)。

2.1 回轉(zhuǎn)臺建模及預處理

利用CROE軟件對回轉(zhuǎn)臺建模，以step文件導入至AnsysWorkbench建模模塊中檢查模型，然后將模型轉(zhuǎn)入AnsysWorkbench預處理模塊，處理模型中零件之間接觸設(shè)置摩擦系數(shù)0.15，進行網(wǎng)格劃分，并對模型施加載荷及約束。M24的螺栓施加900N·M緊固力矩，相當于2×105N的預緊力。

2.1.1 切割頭向上切割并且水平切割工況時：

如圖3所示，掘進機在實際切割時抗壓強度80～100MPa，超過設(shè)計輸入?yún)?shù)，可以認為回轉(zhuǎn)臺受力極限狀態(tài)為回轉(zhuǎn)臺伸縮油缸及切割頭升降油缸最大工作壓力時，回轉(zhuǎn)臺的受力狀態(tài)。按油缸最大工作壓力20MPa，計算切割頭升降油缸各鉸接孔的受力，并加載。約束伸縮油缸鉸接孔及回轉(zhuǎn)臺下部回轉(zhuǎn)支承止口。

2.1.2 切割頭向下切割并且水平切割工況時：

如圖4所示，掘進機在實際切割時抗壓強度80～100MPa，超過設(shè)計輸入?yún)?shù)，可以認為回轉(zhuǎn)臺受力極限狀態(tài)為回轉(zhuǎn)臺伸縮油缸及切割頭升降油缸最大工作壓力時，回轉(zhuǎn)臺的受力狀態(tài)。按油缸最大工作壓力20MPa，計算切割頭升降油缸各鉸接孔的受力，并加載。約束伸縮油缸鉸接孔及回轉(zhuǎn)臺下部回轉(zhuǎn)支承止口。

2.2 計算結(jié)果

2.2.1 切割頭向上切割并且水平切割工況時

掘進機在該工況時，等效應(yīng)力云圖如圖5所示，應(yīng)力集中在圖中標示處，上層應(yīng)力80MPa至130MPa，下層平均應(yīng)力為150MPa，應(yīng)力分布與回轉(zhuǎn)臺實際破損情況相符。

2.2.2 切割頭向下切割并且水平切割工況時

掘進機在該工況時，等效應(yīng)力云圖如圖5所示，應(yīng)力集中在圖中標示處，上層應(yīng)力90MPa，下層平均應(yīng)力為120MPa至150MPa，應(yīng)力分布與回轉(zhuǎn)臺實際破損情況相符。

3 材料優(yōu)化及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)AnsysWorkbench軟件計算結(jié)果，觀察掘進機回轉(zhuǎn)臺動態(tài)應(yīng)力及變形動畫對回轉(zhuǎn)臺失效進行分析，認為首先是焊接結(jié)構(gòu)的底板回轉(zhuǎn)支承止口先開裂失效，然后導致螺栓受剪力導致應(yīng)力集中區(qū)螺栓帽根部斷裂，最后在Q235-A的基材上產(chǎn)生疲勞失效，最后導致裂紋出現(xiàn)并延伸使回轉(zhuǎn)臺失效。

結(jié)合掘進機工作時有強烈振動的實際情況，安全系數(shù)應(yīng)≥2，構(gòu)建材料許用應(yīng)力需≥300MPa。因此將原來Q235-A的材料改為Q345-A，并且選用強度大于等于Q345-A的焊絲進行焊接。同時，將底板回轉(zhuǎn)支承聯(lián)接止口由原焊接結(jié)構(gòu)改為底板厚板加工生成。設(shè)計修改雖然提高了制造成本，但是滿足了單向抗壓強度80～100MPa全巖巷道的巷道掘進要求。

根據(jù)隨后的隨機跟蹤服務(wù)發(fā)現(xiàn)，改進后的掘進機回轉(zhuǎn)臺再未發(fā)生斷裂等任何失效現(xiàn)象，證明了AnsysWorkbench優(yōu)化計算復合實際工況，對其他設(shè)計等也具有很好的指導作用。

參考文獻

[1]成大先.機械設(shè)計手冊（單行本）.常用工程材料[M]北京：化學工業(yè)出版社，2004，1.

[2]浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2010，10.

[3]《重型機械標準》編寫委員會.重型機械標準[M].昆明：云南科技出版社，2007，11.endprint

摘 要：對EBZ160掘進機在某煤礦井下，實際切割300m單向抗壓強度80～100MPa全巖巷道，掘進機回轉(zhuǎn)臺出現(xiàn)的破損情況，采用AnsysWorkbench軟件對回轉(zhuǎn)臺進行有限元計算，分析掘進機回轉(zhuǎn)臺斷裂形成原因，并根據(jù)計算結(jié)果，對回轉(zhuǎn)臺材質(zhì)及部分零件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。本研究為EBZ160掘進機進行向抗壓強度80～100MPa全巖巷道經(jīng)濟切割提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：EBZ160掘進機回轉(zhuǎn)臺；單向抗壓強度80～100Mpa硬巖；全巖巷道切割；AnsysWorkbench有限元分析

我國是世界煤炭第一生產(chǎn)和消費大國，煤炭在我國的一次能源中占有及其重要的地位。EBZ160掘進機是適合緩傾煤層條件下使用的半煤巖掘進機，經(jīng)濟切割煤巖的單向抗壓強度≤80MPa，適用于煤、半煤巖或巖層的切割。該掘進機是為綜采工作的采準巷道綜掘作業(yè)提供的綜掘設(shè)備，具有高效、較高的適應(yīng)性、高可靠性的產(chǎn)品。但是，在掘進機實際使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)短則數(shù)米長則幾百米的單向抗壓強度80～100MPa全巖巷道，該對掘進機的過巖層能力提出了嚴格的考驗。

1 巷道地質(zhì)條件及掘進機使用工況

1.1 巷道地質(zhì)條件

該掘進機在某煤礦西-801回順巷進行井下工業(yè)性考核，累計運行86天，共掘進783米，西-801回順巷沿走向：巖和半煤巖構(gòu)造斷層處為沙巖，煤層1.5-1.8m上部和頂板泥巖，細沙巖，粉沙巖；下部和底板泥巖，粉沙巖。沿走向250m和西-801回風道61m近乎全巖（如圖1所示），巖石單向抗壓強度80～100MPa，很少有煤線出現(xiàn)。

1.2 掘進機使用工況

在西-801回風道61m全巖切割過程中，出現(xiàn)回轉(zhuǎn)臺斷裂情況。如圖所示，掘進機回轉(zhuǎn)臺裂紋沿左側(cè)中部延伸至右側(cè)螺紋孔處，下部回轉(zhuǎn)支承聯(lián)接止口撕裂。沿裂縫處附近回轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)支承聯(lián)接螺栓斷裂，斷裂處在螺栓帽根部。

因此判斷回轉(zhuǎn)臺失效部位先后順序，并取得工作時回轉(zhuǎn)臺工作時各部位應(yīng)力準確數(shù)據(jù)，對該回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)及使用選材優(yōu)化有著重要意義。

2 回轉(zhuǎn)臺建模及有限元分析

AnsysWorkbench是一個有限元軟件平臺，它包含了固體分析、流體分析、熱分析、電磁場分析四個部分，對于固體分析，有靜力學分析和動力學分析，利用靜力學分析中的static structural模塊對回轉(zhuǎn)臺進行模型預處理及求解，以取得結(jié)構(gòu)及材料優(yōu)化所需的精確數(shù)據(jù)。

2.1 回轉(zhuǎn)臺建模及預處理

利用CROE軟件對回轉(zhuǎn)臺建模，以step文件導入至AnsysWorkbench建模模塊中檢查模型，然后將模型轉(zhuǎn)入AnsysWorkbench預處理模塊，處理模型中零件之間接觸設(shè)置摩擦系數(shù)0.15，進行網(wǎng)格劃分，并對模型施加載荷及約束。M24的螺栓施加900N·M緊固力矩，相當于2×105N的預緊力。

2.1.1 切割頭向上切割并且水平切割工況時：

如圖3所示，掘進機在實際切割時抗壓強度80～100MPa，超過設(shè)計輸入?yún)?shù)，可以認為回轉(zhuǎn)臺受力極限狀態(tài)為回轉(zhuǎn)臺伸縮油缸及切割頭升降油缸最大工作壓力時，回轉(zhuǎn)臺的受力狀態(tài)。按油缸最大工作壓力20MPa，計算切割頭升降油缸各鉸接孔的受力，并加載。約束伸縮油缸鉸接孔及回轉(zhuǎn)臺下部回轉(zhuǎn)支承止口。

2.1.2 切割頭向下切割并且水平切割工況時：

如圖4所示，掘進機在實際切割時抗壓強度80～100MPa，超過設(shè)計輸入?yún)?shù)，可以認為回轉(zhuǎn)臺受力極限狀態(tài)為回轉(zhuǎn)臺伸縮油缸及切割頭升降油缸最大工作壓力時，回轉(zhuǎn)臺的受力狀態(tài)。按油缸最大工作壓力20MPa，計算切割頭升降油缸各鉸接孔的受力，并加載。約束伸縮油缸鉸接孔及回轉(zhuǎn)臺下部回轉(zhuǎn)支承止口。

2.2 計算結(jié)果

2.2.1 切割頭向上切割并且水平切割工況時

掘進機在該工況時，等效應(yīng)力云圖如圖5所示，應(yīng)力集中在圖中標示處，上層應(yīng)力80MPa至130MPa，下層平均應(yīng)力為150MPa，應(yīng)力分布與回轉(zhuǎn)臺實際破損情況相符。

2.2.2 切割頭向下切割并且水平切割工況時

掘進機在該工況時，等效應(yīng)力云圖如圖5所示，應(yīng)力集中在圖中標示處，上層應(yīng)力90MPa，下層平均應(yīng)力為120MPa至150MPa，應(yīng)力分布與回轉(zhuǎn)臺實際破損情況相符。

3 材料優(yōu)化及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)AnsysWorkbench軟件計算結(jié)果，觀察掘進機回轉(zhuǎn)臺動態(tài)應(yīng)力及變形動畫對回轉(zhuǎn)臺失效進行分析，認為首先是焊接結(jié)構(gòu)的底板回轉(zhuǎn)支承止口先開裂失效，然后導致螺栓受剪力導致應(yīng)力集中區(qū)螺栓帽根部斷裂，最后在Q235-A的基材上產(chǎn)生疲勞失效，最后導致裂紋出現(xiàn)并延伸使回轉(zhuǎn)臺失效。

結(jié)合掘進機工作時有強烈振動的實際情況，安全系數(shù)應(yīng)≥2，構(gòu)建材料許用應(yīng)力需≥300MPa。因此將原來Q235-A的材料改為Q345-A，并且選用強度大于等于Q345-A的焊絲進行焊接。同時，將底板回轉(zhuǎn)支承聯(lián)接止口由原焊接結(jié)構(gòu)改為底板厚板加工生成。設(shè)計修改雖然提高了制造成本，但是滿足了單向抗壓強度80～100MPa全巖巷道的巷道掘進要求。

根據(jù)隨后的隨機跟蹤服務(wù)發(fā)現(xiàn)，改進后的掘進機回轉(zhuǎn)臺再未發(fā)生斷裂等任何失效現(xiàn)象，證明了AnsysWorkbench優(yōu)化計算復合實際工況，對其他設(shè)計等也具有很好的指導作用。

參考文獻

[1]成大先.機械設(shè)計手冊（單行本）.常用工程材料[M]北京：化學工業(yè)出版社，2004，1.

[2]浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2010，10.

[3]《重型機械標準》編寫委員會.重型機械標準[M].昆明：云南科技出版社，2007，11.endprint

摘 要：對EBZ160掘進機在某煤礦井下，實際切割300m單向抗壓強度80～100MPa全巖巷道，掘進機回轉(zhuǎn)臺出現(xiàn)的破損情況，采用AnsysWorkbench軟件對回轉(zhuǎn)臺進行有限元計算，分析掘進機回轉(zhuǎn)臺斷裂形成原因，并根據(jù)計算結(jié)果，對回轉(zhuǎn)臺材質(zhì)及部分零件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。本研究為EBZ160掘進機進行向抗壓強度80～100MPa全巖巷道經(jīng)濟切割提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：EBZ160掘進機回轉(zhuǎn)臺；單向抗壓強度80～100Mpa硬巖；全巖巷道切割；AnsysWorkbench有限元分析

我國是世界煤炭第一生產(chǎn)和消費大國，煤炭在我國的一次能源中占有及其重要的地位。EBZ160掘進機是適合緩傾煤層條件下使用的半煤巖掘進機，經(jīng)濟切割煤巖的單向抗壓強度≤80MPa，適用于煤、半煤巖或巖層的切割。該掘進機是為綜采工作的采準巷道綜掘作業(yè)提供的綜掘設(shè)備，具有高效、較高的適應(yīng)性、高可靠性的產(chǎn)品。但是，在掘進機實際使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)短則數(shù)米長則幾百米的單向抗壓強度80～100MPa全巖巷道，該對掘進機的過巖層能力提出了嚴格的考驗。

1 巷道地質(zhì)條件及掘進機使用工況

1.1 巷道地質(zhì)條件

該掘進機在某煤礦西-801回順巷進行井下工業(yè)性考核，累計運行86天，共掘進783米，西-801回順巷沿走向：巖和半煤巖構(gòu)造斷層處為沙巖，煤層1.5-1.8m上部和頂板泥巖，細沙巖，粉沙巖；下部和底板泥巖，粉沙巖。沿走向250m和西-801回風道61m近乎全巖（如圖1所示），巖石單向抗壓強度80～100MPa，很少有煤線出現(xiàn)。

1.2 掘進機使用工況

在西-801回風道61m全巖切割過程中，出現(xiàn)回轉(zhuǎn)臺斷裂情況。如圖所示，掘進機回轉(zhuǎn)臺裂紋沿左側(cè)中部延伸至右側(cè)螺紋孔處，下部回轉(zhuǎn)支承聯(lián)接止口撕裂。沿裂縫處附近回轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)支承聯(lián)接螺栓斷裂，斷裂處在螺栓帽根部。

因此判斷回轉(zhuǎn)臺失效部位先后順序，并取得工作時回轉(zhuǎn)臺工作時各部位應(yīng)力準確數(shù)據(jù)，對該回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)及使用選材優(yōu)化有著重要意義。

2 回轉(zhuǎn)臺建模及有限元分析

AnsysWorkbench是一個有限元軟件平臺，它包含了固體分析、流體分析、熱分析、電磁場分析四個部分，對于固體分析，有靜力學分析和動力學分析，利用靜力學分析中的static structural模塊對回轉(zhuǎn)臺進行模型預處理及求解，以取得結(jié)構(gòu)及材料優(yōu)化所需的精確數(shù)據(jù)。

2.1 回轉(zhuǎn)臺建模及預處理

利用CROE軟件對回轉(zhuǎn)臺建模，以step文件導入至AnsysWorkbench建模模塊中檢查模型，然后將模型轉(zhuǎn)入AnsysWorkbench預處理模塊，處理模型中零件之間接觸設(shè)置摩擦系數(shù)0.15，進行網(wǎng)格劃分，并對模型施加載荷及約束。M24的螺栓施加900N·M緊固力矩，相當于2×105N的預緊力。

2.1.1 切割頭向上切割并且水平切割工況時：

如圖3所示，掘進機在實際切割時抗壓強度80～100MPa，超過設(shè)計輸入?yún)?shù)，可以認為回轉(zhuǎn)臺受力極限狀態(tài)為回轉(zhuǎn)臺伸縮油缸及切割頭升降油缸最大工作壓力時，回轉(zhuǎn)臺的受力狀態(tài)。按油缸最大工作壓力20MPa，計算切割頭升降油缸各鉸接孔的受力，并加載。約束伸縮油缸鉸接孔及回轉(zhuǎn)臺下部回轉(zhuǎn)支承止口。

2.1.2 切割頭向下切割并且水平切割工況時：

如圖4所示，掘進機在實際切割時抗壓強度80～100MPa，超過設(shè)計輸入?yún)?shù)，可以認為回轉(zhuǎn)臺受力極限狀態(tài)為回轉(zhuǎn)臺伸縮油缸及切割頭升降油缸最大工作壓力時，回轉(zhuǎn)臺的受力狀態(tài)。按油缸最大工作壓力20MPa，計算切割頭升降油缸各鉸接孔的受力，并加載。約束伸縮油缸鉸接孔及回轉(zhuǎn)臺下部回轉(zhuǎn)支承止口。

2.2 計算結(jié)果

2.2.1 切割頭向上切割并且水平切割工況時

掘進機在該工況時，等效應(yīng)力云圖如圖5所示，應(yīng)力集中在圖中標示處，上層應(yīng)力80MPa至130MPa，下層平均應(yīng)力為150MPa，應(yīng)力分布與回轉(zhuǎn)臺實際破損情況相符。

2.2.2 切割頭向下切割并且水平切割工況時

掘進機在該工況時，等效應(yīng)力云圖如圖5所示，應(yīng)力集中在圖中標示處，上層應(yīng)力90MPa，下層平均應(yīng)力為120MPa至150MPa，應(yīng)力分布與回轉(zhuǎn)臺實際破損情況相符。

3 材料優(yōu)化及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)AnsysWorkbench軟件計算結(jié)果，觀察掘進機回轉(zhuǎn)臺動態(tài)應(yīng)力及變形動畫對回轉(zhuǎn)臺失效進行分析，認為首先是焊接結(jié)構(gòu)的底板回轉(zhuǎn)支承止口先開裂失效，然后導致螺栓受剪力導致應(yīng)力集中區(qū)螺栓帽根部斷裂，最后在Q235-A的基材上產(chǎn)生疲勞失效，最后導致裂紋出現(xiàn)并延伸使回轉(zhuǎn)臺失效。

結(jié)合掘進機工作時有強烈振動的實際情況，安全系數(shù)應(yīng)≥2，構(gòu)建材料許用應(yīng)力需≥300MPa。因此將原來Q235-A的材料改為Q345-A，并且選用強度大于等于Q345-A的焊絲進行焊接。同時，將底板回轉(zhuǎn)支承聯(lián)接止口由原焊接結(jié)構(gòu)改為底板厚板加工生成。設(shè)計修改雖然提高了制造成本，但是滿足了單向抗壓強度80～100MPa全巖巷道的巷道掘進要求。

根據(jù)隨后的隨機跟蹤服務(wù)發(fā)現(xiàn)，改進后的掘進機回轉(zhuǎn)臺再未發(fā)生斷裂等任何失效現(xiàn)象，證明了AnsysWorkbench優(yōu)化計算復合實際工況，對其他設(shè)計等也具有很好的指導作用。

參考文獻

[1]成大先.機械設(shè)計手冊（單行本）.常用工程材料[M]北京：化學工業(yè)出版社，2004，1.

[2]浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2010，10.

[3]《重型機械標準》編寫委員會.重型機械標準[M].昆明：云南科技出版社，2007，11.endprint