礦用掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的改進(jìn)研究

董 杰

（山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司安監(jiān)隊(duì)， 山西 高平 048411）

引言

掘進(jìn)機(jī)是采煤過(guò)程中不可或缺的重要重型機(jī)械設(shè)備，其運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定性與采煤效率有直接關(guān)系[1-2]。掘進(jìn)機(jī)中回轉(zhuǎn)平臺(tái)是其中非常重要的結(jié)構(gòu)部件，承受著較大的外部載荷[3]。利用回轉(zhuǎn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)懸臂結(jié)構(gòu)在不同方向上的運(yùn)動(dòng)，截割頭工作中產(chǎn)生的載荷都會(huì)傳遞到回轉(zhuǎn)平臺(tái)中來(lái)[4]?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)通過(guò)支耳與油缸進(jìn)行連接，通過(guò)油缸的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)懸臂結(jié)構(gòu)的移動(dòng)?？梢钥闯?，回轉(zhuǎn)平臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定性對(duì)掘進(jìn)機(jī)的正常工作有直接影響。但是在實(shí)踐過(guò)程中，回轉(zhuǎn)平臺(tái)經(jīng)常出現(xiàn)各種故障問題，其中支耳的損壞現(xiàn)象最為常見[5-6]。因此非常有必要對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的受力情況進(jìn)行分析，找到引起各種問題的原因，并采取針對(duì)性措施進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提升其服役穩(wěn)定性。

1 回轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和作用分析

本文對(duì)EBZ-40 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行研究。懸臂式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)的傳動(dòng)方式主要分為兩種，分別為齒條油缸式和推拉油缸式。本文所述EBZ-40 型號(hào)懸臂式掘進(jìn)機(jī)采用的是第2 種方式。該種結(jié)構(gòu)形式的回轉(zhuǎn)平臺(tái)共有2 個(gè)回轉(zhuǎn)油缸，分別布置在回轉(zhuǎn)平臺(tái)后方兩側(cè)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)在平面上的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可通過(guò)這2 個(gè)油缸進(jìn)行控制。回轉(zhuǎn)平臺(tái)在水平面上做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的推力，在平臺(tái)底座設(shè)計(jì)了一個(gè)滾動(dòng)回轉(zhuǎn)支撐以抵抗此推力。該回轉(zhuǎn)支撐能夠承受多個(gè)方向上的力和力矩，比如傾倒翻力矩、徑向力和軸向力等。如圖1 所示為回轉(zhuǎn)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 回轉(zhuǎn)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)（單位：mm）

從圖中可以看出，回轉(zhuǎn)平臺(tái)共有多個(gè)部分構(gòu)成。側(cè)支板是非常重要的承力結(jié)構(gòu)件，懸臂結(jié)構(gòu)、升降油缸和水平回轉(zhuǎn)油缸的支耳全部安裝在側(cè)支板，上蓋板、下支座以及回轉(zhuǎn)軸承通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，側(cè)支板和上蓋板之間進(jìn)行焊接處理。平臺(tái)在裝配時(shí)將下支座與機(jī)架進(jìn)行焊接連接，保證了回轉(zhuǎn)平臺(tái)的穩(wěn)定性。在兩個(gè)水平回轉(zhuǎn)油缸的共同作用下能夠使回轉(zhuǎn)平臺(tái)在水平面上做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而通過(guò)升降油缸可以控制懸壁機(jī)構(gòu)在豎直方向上做上升和下降運(yùn)動(dòng)。

2 回轉(zhuǎn)平臺(tái)模型的建立

2.1 幾何模型的建立

回轉(zhuǎn)平臺(tái)除個(gè)別位置通過(guò)螺栓進(jìn)行連接外，絕大部分都是通過(guò)焊接方式進(jìn)行制作，整個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。因此在建立回轉(zhuǎn)平臺(tái)模型時(shí)，本文提出以下假設(shè)：第一，所有的焊接質(zhì)量良好，焊縫都能夠滿足實(shí)際使用需要；第二，忽略焊接過(guò)程中的熱應(yīng)力對(duì)板材性能的不利影響；第三，建立三維模型時(shí)忽略焊縫，認(rèn)為板材結(jié)構(gòu)通過(guò)焊接形成了一個(gè)整體；第四，忽略螺栓連接中的壓緊力對(duì)板材性能的影響。基于以上假設(shè)并根據(jù)圖1 所示的回轉(zhuǎn)平臺(tái)總體尺寸結(jié)構(gòu)，利用PRO/E 三維軟件建立回轉(zhuǎn)平臺(tái)的三維結(jié)構(gòu)模型，并將模型導(dǎo)出為STP 格式，以便導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件時(shí)可以有效識(shí)別。從圖中可以看出回轉(zhuǎn)平臺(tái)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在建立有限元模型時(shí)可以進(jìn)行對(duì)稱建模，只對(duì)其中一半進(jìn)行分析以縮短計(jì)算時(shí)間。但考慮到回轉(zhuǎn)平臺(tái)在工作過(guò)程中上下結(jié)構(gòu)的受力不一定均衡。因此，本文仍然以整個(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)為模型進(jìn)行計(jì)算。

2.2 有限元模型的建立

1）模型的導(dǎo)入以及網(wǎng)格劃分。將PRO/E 建立的三維模型導(dǎo)入到ANSYS 軟件中，然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。ANSYS 軟件提供了多種形式的網(wǎng)格單元，不同網(wǎng)格單元具有各自的特征，并適合不同場(chǎng)合。本文在綜合考慮計(jì)算時(shí)間和結(jié)果精度的基礎(chǔ)上選用SOLID45 單元對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這種類型的單元為8 節(jié)點(diǎn)六面體單元?？紤]到回轉(zhuǎn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，因此通過(guò)掃掠和自由劃分的模式來(lái)劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格單元的邊長(zhǎng)控制在5～15 mm 范圍內(nèi)。完成網(wǎng)格劃分工作后，得到的單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為126 803 和37 448。

2）材料設(shè)置。選用的材料Q345，查閱資料可知材料的彈性模量和泊松比分別為210 GPa 和0.3，屈服強(qiáng)度為345 MPa。將上述物理性能參數(shù)輸入到有限元軟件中進(jìn)行計(jì)算。

3）載荷和位移邊界條件?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)在工作時(shí)受到的載荷主要有4 個(gè)方面：兩個(gè)水平回轉(zhuǎn)油缸的聯(lián)動(dòng)作用會(huì)對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)產(chǎn)生推力或拉力；懸臂機(jī)構(gòu)對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)產(chǎn)生的作用力；平臺(tái)受到的支撐反力和傾覆力；升降油缸對(duì)支耳產(chǎn)生的作用力。由于下支座是通過(guò)焊接的方式與機(jī)架進(jìn)行連接，因此在設(shè)置邊界條件時(shí)，將下支座底部設(shè)置為全約束，即在三個(gè)方向上全部無(wú)法移動(dòng)。實(shí)踐證明，當(dāng)截割頭在水平方向處在最左側(cè)部位、豎直方向處在最上面位置時(shí)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)的受力情況最為復(fù)雜，處于危險(xiǎn)狀態(tài)。因此，本文基于該狀態(tài)模擬回轉(zhuǎn)平臺(tái)受力情況。

3 回轉(zhuǎn)平臺(tái)受力結(jié)果分析與討論

建立好回轉(zhuǎn)平臺(tái)有限元模型后，就可以調(diào)用軟件計(jì)算模塊對(duì)模型進(jìn)行分析和計(jì)算。計(jì)算速度與模型網(wǎng)格數(shù)量存在直接聯(lián)系。如圖2 所示為計(jì)算得到的危險(xiǎn)受力情況下回轉(zhuǎn)平臺(tái)的位移和應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看出，回轉(zhuǎn)平臺(tái)的最大位移量為0.964 mm，且出現(xiàn)最大位移的地方位于升降油缸支耳處，該位置是升降油缸與回轉(zhuǎn)平臺(tái)的連接部位。說(shuō)明此部位的剛性相對(duì)較弱，在工作中最危險(xiǎn)，出現(xiàn)故障問題的概率較高，有必要采取措施對(duì)該位置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。從應(yīng)力分布云圖中可以看出，回轉(zhuǎn)平臺(tái)的最大應(yīng)力值為230 MPa，出現(xiàn)最大應(yīng)力值的部位為上蓋板和右側(cè)支板兩者的連接部位。另外，從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)的應(yīng)變分布和應(yīng)力分布都非常不均勻，一些地方基本沒有出現(xiàn)應(yīng)變和應(yīng)力，而部分地方卻出現(xiàn)了較大的應(yīng)變和應(yīng)力。

圖2 回轉(zhuǎn)平臺(tái)位移和應(yīng)力分布云圖

油缸與回轉(zhuǎn)平臺(tái)連接的支耳位置具有相對(duì)較大的位移值和應(yīng)力值。大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也同樣表明，支耳部位最容易出現(xiàn)損壞問題，是主要的故障問題來(lái)源之一。本文的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用情況非常吻合。因此在設(shè)計(jì)和優(yōu)化回轉(zhuǎn)平臺(tái)時(shí)，必須對(duì)支耳部位給予高度關(guān)注，采取措施提升其強(qiáng)度和剛度，進(jìn)而保障整個(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的使用壽命。

4 回轉(zhuǎn)平臺(tái)優(yōu)化改進(jìn)措施及其結(jié)果分析

4.1 優(yōu)化措施

回轉(zhuǎn)平臺(tái)是整個(gè)掘進(jìn)機(jī)中的重要承力結(jié)構(gòu)部件，截割頭工作時(shí)承受的外力全部會(huì)傳遞到回轉(zhuǎn)平臺(tái)中來(lái)。因此，回轉(zhuǎn)平臺(tái)服役可靠性對(duì)掘進(jìn)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響?；谏瞎?jié)的分析可以看出，油缸與回轉(zhuǎn)平臺(tái)連接的支耳部位位移和應(yīng)力都相對(duì)較大，這不利于支耳的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。所以本文主要對(duì)支耳的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善該部位的受力狀態(tài)。主要對(duì)支耳的外圓半徑和厚度值進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)見下表，支耳的位置見表1。

根據(jù)優(yōu)化改進(jìn)后的尺寸數(shù)據(jù)，重新利用PRO/E三維軟件建立三維模型，并利用ANSYS 軟件進(jìn)行受力分析。除支耳部位規(guī)格尺寸不一樣外，優(yōu)化前后有限元模型其他數(shù)據(jù)全部一樣。

表1 支耳優(yōu)化前后規(guī)格尺寸對(duì)比 mm

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

如圖3 所示為優(yōu)化改進(jìn)后的回轉(zhuǎn)平臺(tái)位移和應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看出，優(yōu)化改進(jìn)后回轉(zhuǎn)平臺(tái)的最大位移值為0.739 mm，比優(yōu)化改進(jìn)前降低了23.34%，最大應(yīng)力值為204 MPa，與優(yōu)化改進(jìn)前相比降低了16.96%。由此可以看出，通過(guò)對(duì)支耳部位的規(guī)格尺寸進(jìn)行優(yōu)化，顯著降低了回轉(zhuǎn)平臺(tái)的最大位移和應(yīng)力值，提升了該機(jī)構(gòu)的剛度?；诜治鲇?jì)算結(jié)果可知，本文提出的優(yōu)化改進(jìn)方案是可行的。將該方案應(yīng)用到工程實(shí)踐中，取得了期望的結(jié)果，回轉(zhuǎn)平臺(tái)的剛性得到提升，服役壽命較之前提升了30%以上。

圖3 優(yōu)化改進(jìn)后的回轉(zhuǎn)平臺(tái)位移和應(yīng)力分布云圖

5 結(jié)論

回轉(zhuǎn)平臺(tái)是掘進(jìn)機(jī)中的重要構(gòu)成部分，在工作過(guò)程中需要承受較大的外部載荷。本文基于真實(shí)的外部載荷條件對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)油缸與回轉(zhuǎn)平臺(tái)連接的支耳部位位移值和應(yīng)力值相對(duì)其他部位較大，這與實(shí)踐過(guò)程中支耳容易出現(xiàn)故障問題的現(xiàn)實(shí)相吻合。鑒于支耳容易發(fā)生故障的事實(shí)，本文對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了較好的效果，支耳的位移和應(yīng)力均出現(xiàn)了很大程度降低。將本文的優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用到實(shí)踐中，取得了非常顯著的效果，回轉(zhuǎn)平臺(tái)的使用壽命提升了30%以上，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。