礦用掘進機回轉(zhuǎn)平臺力學分析及優(yōu)化研究

張 清

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 高平 048400）

引言

掘進機是煤礦開采過程中非常重要的機電裝備，其性能好壞會對煤礦開采效率產(chǎn)生重要的影響[1]。隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，對各種煤礦開采設(shè)備性能要求越來越高。目前掘進機正朝著自動化、重型化方向發(fā)展，對掘進機關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)件的性能提出了更高的要求[2]。回轉(zhuǎn)平臺是掘進機中重要的承力結(jié)構(gòu)件，利用該結(jié)構(gòu)可以將左右機架以及懸臂機械進行連接，實現(xiàn)懸臂的左右回轉(zhuǎn)和上下升降[3]。懸臂工作時承受的作用力都要通過回轉(zhuǎn)平臺傳遞到底座中，如果回轉(zhuǎn)平臺的力學性能不夠，就容易出現(xiàn)故障問題，影響掘進機的正常運行。本文利用ANSYS軟件建立了掘進機回轉(zhuǎn)平臺的有限元模型，并進行受力分析，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，對于提升掘進機的運行穩(wěn)定性具有一定的現(xiàn)實意義。

1 掘進機回轉(zhuǎn)平臺概述

目前，煤礦中使用的掘進機回轉(zhuǎn)平臺主要有兩種傳動模式，第一為齒條油缸傳動模式，第二為推拉油缸傳動模式。本研究以煤礦中使用較多的EBZ40型掘進機為對象進行研究，此設(shè)備采用的是第二種傳動模式。如圖1所示為EBZ40型掘進機回轉(zhuǎn)平臺的傳動過程原理圖。在回轉(zhuǎn)平臺后側(cè)的左右方分別布置有回轉(zhuǎn)油缸，此兩油缸共同作用可以實現(xiàn)平臺在水平方向的轉(zhuǎn)動。在回轉(zhuǎn)平臺前方下側(cè)設(shè)置有升降油缸，控制懸臂在上下方向上的移動?？傊?，回轉(zhuǎn)平臺是掘進機中連接懸臂結(jié)構(gòu)和機體的重要結(jié)構(gòu)件，工作時需要承受很大的載荷，要求具有良好的綜合性能。

2 回轉(zhuǎn)平臺模型的建立

2.1 三維模型的建立

圖1 EBZ40型掘進機回轉(zhuǎn)平臺的傳動模式示意圖

本研究中首先利用UG軟件建立掘進機回轉(zhuǎn)平臺的三維幾何模型，為了確保模型計算的正確性，模型中所有尺寸全部按EBZ40型掘進機回轉(zhuǎn)平臺實際尺寸執(zhí)行?？紤]到機械結(jié)構(gòu)件中一些細小結(jié)構(gòu)尺寸會對計算過程產(chǎn)生不良影響，嚴重時導致計算過程無法順利進行。因此將回轉(zhuǎn)平臺中一些倒角、倒圓、小孔等尺寸忽略處理。將建立好的三維模型導出為stl通用格式，導入到ANSYS軟件中進行有限元模型建立。

2.2 有限元模型的建立

在ANSYS軟件中首先需要對模型進行網(wǎng)格劃分，劃分質(zhì)量會對計算過程和結(jié)果產(chǎn)生非常重要的影響。選擇SOLID45型六面體單元結(jié)構(gòu)單元對模型進行劃分，根據(jù)實際情況將單元邊長設(shè)置為5～15 mm，然后進行自動化網(wǎng)格劃分，最終劃分得到的單元和節(jié)點數(shù)量分別為26 432和37 438個。回轉(zhuǎn)平臺的制作材料為Q345，查閱材料手冊可知，材料的彈性模量和泊松比分別為20 GPa和0.3，屈服極限值為345 MPa，將上述材料參數(shù)輸入到有限元模型中?？紤]到回轉(zhuǎn)平臺將懸臂放置在最上、最左位置時，回轉(zhuǎn)平臺的受力情況最為復雜，所以本研究中以此工況作為計算條件。如圖2所示為回轉(zhuǎn)平臺的有限元模型。

圖2 回轉(zhuǎn)平臺的有限元模型

3 回轉(zhuǎn)平臺受力結(jié)果分析

根據(jù)以上步驟完成建模工作后，可以調(diào)用軟件中的計算模塊進行分析計算，然后對回轉(zhuǎn)平臺的應(yīng)力場和應(yīng)變場進行提取分析。如圖3所示為EBZ40型掘進機回轉(zhuǎn)平臺工作時的應(yīng)力場和應(yīng)變場分布情況。

圖3 回轉(zhuǎn)平臺的變形（m）和應(yīng)力（MPa）分析結(jié)果

由應(yīng)變場分布云圖可知，整個回轉(zhuǎn)平臺不同區(qū)域承受的應(yīng)變存在很大差異，最大應(yīng)變值出現(xiàn)在與升降油缸連接的耳座部位，與該耳座距離越遠，相應(yīng)的應(yīng)變值越低。回轉(zhuǎn)平臺的最大變形量為0.964 mm，說明該部位屬于危險位置，對回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進時，需重點考慮此位置。

從回轉(zhuǎn)平臺應(yīng)力場分布云圖可以看出，應(yīng)力分布同樣呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，局部位置出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但絕大部分區(qū)域的應(yīng)力值相對較小。出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位為回轉(zhuǎn)油缸附近區(qū)域，對應(yīng)的應(yīng)力最大值為230 MPa。除上述區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中外，還可以發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)平臺中的其他耳座區(qū)域的受力也相對更大。說明耳座是容易出現(xiàn)損傷甚至破壞的位置，這與工程實踐中耳座部位容易發(fā)生損壞的現(xiàn)實情況是相吻合的。驗證了本文建立的有限元模型的正確性。所以，在對回轉(zhuǎn)平臺進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，應(yīng)該重點考慮耳座部位的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

4.1 優(yōu)化改進方案

基于以上分析可知，回轉(zhuǎn)平臺工作時除耳座外，其他部分的位移和應(yīng)力均相對較小，只有耳座部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變和應(yīng)力集中現(xiàn)象，導致該部位容易出現(xiàn)故障問題，所以需要對耳座結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化改進。開展優(yōu)化改進工作時，為避免回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)尺寸改變對其他結(jié)構(gòu)尺寸造成影響，在優(yōu)化時確保耳座圓心位置保持不變，只改變耳座的外圓半徑和和整體厚度。回轉(zhuǎn)平臺有升降耳座和回轉(zhuǎn)耳座，因此共有4個變量，具體如圖4所示。其中，B1和B2均在30～35 mm范圍內(nèi)變化，R1和R2分別在45～54 mm和55～65 mm范圍內(nèi)變化。

圖4 回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進目標對象

考慮到回轉(zhuǎn)平臺是掘進機中非常重要的承力結(jié)構(gòu)件，工作時需要承受懸臂傳遞過來的載荷。懸臂工作時除了承受靜載荷以外，特殊情況下還需要承受較大的沖擊載荷，對回轉(zhuǎn)平臺的力學性能要求較高?；诖?，為了提升回轉(zhuǎn)平臺的使用壽命，進而保障掘進機運行過程的穩(wěn)定性和可靠性，本研究中以回轉(zhuǎn)平臺工作時的最大應(yīng)力作為優(yōu)化目標。具體而言，要將回轉(zhuǎn)平臺的安全系數(shù)控制在2.0～2.5范圍內(nèi)，加工回轉(zhuǎn)平臺的材料為Q345，其屈服極限強度為345 MPa。所以，回轉(zhuǎn)平臺的最大應(yīng)力值應(yīng)在138～172.5 MPa。

優(yōu)化過程利用有限元軟件開展，在上述優(yōu)化目標結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)，按照試錯法取值，建立有限模型分別進行計算。對比分析不同模型所得應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果，直到回轉(zhuǎn)平臺應(yīng)力最大值在138～172.5 MPa范圍內(nèi)。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)以上優(yōu)化改進方案開展回轉(zhuǎn)平臺的優(yōu)化工作，最終得到優(yōu)化結(jié)果。R1、R2、B1、B2的取值分別為54 mm、60 mm、32 mm、33 mm。以上四個參數(shù)的原始數(shù)據(jù)分別為45 mm、55 mm、30 mm、30 mm，通過此次優(yōu)化改進，對應(yīng)四個結(jié)構(gòu)參數(shù)增加量分別為20%、9.09%、6.67%、10%。如圖5所示為在工況條件完全相同的情況下，優(yōu)化改進后回轉(zhuǎn)平臺的應(yīng)力場和應(yīng)變場分布基本情況。

圖5 優(yōu)化后回轉(zhuǎn)平臺的變形（m）和應(yīng)力（MPa）分布情況

從圖5中可以看出，優(yōu)化后的回轉(zhuǎn)平臺應(yīng)變場和應(yīng)力場分布同樣表現(xiàn)出很大的不均勻性，只有局部位置出現(xiàn)了應(yīng)變集中和應(yīng)力集中現(xiàn)象，且出現(xiàn)應(yīng)變集中和應(yīng)力集中的位置與優(yōu)化改進前相比基本相同。但是最大變形量值和最大應(yīng)力值均出現(xiàn)了一定程度降低，分別為0.739 mm和171 MPa，與優(yōu)化改進前相比分別降低了22.70%和25.65%。過大的應(yīng)力集中現(xiàn)象是導致機械結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，進而出現(xiàn)故障的重要原因之一，通過降低最大應(yīng)力能顯著提升機械結(jié)構(gòu)的使用壽命。

將優(yōu)化改進后的回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)用到EBZ40型掘進機中，經(jīng)過將近1年時間的運轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)整體運行情況良好，未出現(xiàn)明顯的故障問題，說明此次優(yōu)化改進是有效的，達到了預期目的。使用壽命方面，與優(yōu)化改進前相比，回轉(zhuǎn)平臺的使用壽命提升了20%～30%。設(shè)備故障率降低，一方面降低了企業(yè)的維護保養(yǎng)成本，另一方面降低了設(shè)備的停機維修時間，極大地提升了煤礦開采效率，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

耳座部位優(yōu)化改進前后回轉(zhuǎn)平臺的受力均呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。其中耳座部位出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，該部位容易出現(xiàn)缺陷問題與現(xiàn)實情況基本吻合。優(yōu)化前和優(yōu)化后的最大應(yīng)力值別為230 MPa和171 MPa。將優(yōu)化后的回轉(zhuǎn)平臺應(yīng)用到掘進機工程實踐中，發(fā)現(xiàn)運行效果良好，顯著提升了回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)的使用壽命，為掘進機的可靠穩(wěn)定工作奠定了良好的基礎(chǔ)。