礦用掘進機回轉平臺的優化改進與應用研究

李 軍

（晉能控股煤業集團趙莊煤業，山西 長治 046600）

引言

隨著煤礦領域的不斷發展，對礦井的機械化水平要求越來越高[1]。對于中小型煤礦企業，發展綜掘機械化是非常好的方向[2]。掘進機是煤礦開采中非常關鍵和重要的機械裝備之一，其性能好壞對采煤效率有直接影響[3]。提升礦用掘進機運行過程中的穩定性和可靠性是煤礦企業必須重點考慮的問題。回轉平臺是掘進機中的重要構成部分之一，結構上分別與左右機架和懸臂機械進行連接，作用是確保掘進機截割頭能夠在左右方向旋轉、上下方向升降，工作時需要承受較大的載荷，且存在沖擊載荷的影響，所以對回轉平臺的性能要求較高[4-5]。一旦回轉平臺出現故障，勢必會影響掘進機的正常運行[6]。基于此，有必要對掘進機回轉平臺進行分析，提出結構優化改進方案，進一步提升回轉平臺的可靠性。

1 掘進機回轉平臺結構分析

以EBZ260型礦用掘進機為例進行分析，該型號掘進機在中小型煤礦企業中有著非常廣泛的應用。圖1 所示為EBZ260型礦用掘進機回轉平臺的結構圖。由圖1 中可以看出，回轉平臺由多個機械結構件構成。回轉平臺底座設置有大的回轉軸承，兩側位置分別設置油缸，通過兩個油缸之間的聯動，可以實現平臺圍繞回轉軸承進行左右方向的轉動。此外，還設置了升降油缸，作用是實現回轉平臺在上下方向上的移動。回轉平臺與油缸之間通過支耳連接，所以支耳部位的受力通常相對較大。回轉平臺結構性能的好壞，會對掘進機設備運行的效率和可靠性產生直接影響。在對回轉平臺進行結構設計時，需要重點考慮的問題主要包括回轉平臺運行的穩定性和慣性力、結構自身的強度和剛度等。

圖1 掘進機回轉平臺的結構圖（單位：mm）

2 回轉平臺工作時的受力分析

2.1 有限元模型的建立

根據圖1 所示的結構尺寸，利用SOLIDWORKS軟件建立回轉平臺的三維幾何模型，并將其導出為STL 格式后導入ANSYS 軟件中進行網格劃分和材料屬性的設置。網格采用六面體單元自動劃分，最終得到的網格和節點數量分別為16 732 和19 239。材料屬性同樣是影響計算結果的重要參數，掘進機回轉平臺的生產制作材料為Q345，該材料的彈性模量和泊松比分別為53 GPa 和0.3，將其輸入軟件中進行計算。

2.2 結果分析與討論

掘進機正常工作時，當回轉平臺處于不同狀態時承受的載荷會存在一定程度差異。分析了4 種典型工況條件下回轉平臺的受力情況，分別是工況1，截割頭位于正中位置；工況2，截割頭處在上極限位置；工況3，截割頭處在左極限位置；工況4，截割頭處在左上極限位置。表1 所示為掘進機回轉平臺處在不同工況條件下的最大變形和最大應力統計結果。由表1 中數據可知，回轉平臺處于工況1 條件時的變形和承受載荷均最小；在工況4 條件下承受的最大應力及最大變形情況最為嚴重，分別達到了230 MPa 和0.964 mm。

表1 回轉平臺不同工況時的最大變形和最大應力

考慮到工況4 是回轉平臺的位移變形和受力最為嚴重的工況，將其稱為危險工況。以下主要對該工況下的位移變形和受力情況進行分析。圖2 所示為掘進機回轉平臺處在工況4 條件下的變形云圖和受力云圖，從圖2 中可以看出，不管是位移變形情況還是承受的載荷情況，不同位置均存在較大的差異。出現最大變形的位置為與升降油缸連接的支耳部位，最大變形量為0.964 mm。出現較大的位移變形，說明該部位的剛度相對較差。從圖2-2 可知，支耳部位的受力與其他部位比較相對更大，說明支耳部位的受力更加危險。

圖2 掘進機回轉平臺工況4 條件下的變形和受力云圖

3 回轉平臺的結構優化改進

3.1 優化改進的基本方案

基于以上分析可知，回轉平臺工作時與油缸相連接支耳部位的位移變形和受力情況最為危險，說明該部位的剛度較小，工作時存在一定的危險性，回轉平臺容易在支耳部位發生損壞。這與實踐應用情況較吻合，回轉平臺支耳的故障率相對較高。因此，對回轉平臺進行結構優化改進，主要是對支耳進行優化。優化改進工作在ANSYS 軟件中進行，優化目標為回轉平臺支耳的位移變形和受力情況，盡量將其控制在相對較低的水平。優化改進對象為水平回轉和上下升降支耳的厚度及圓弧半徑，如圖3 所示。圖3 中4 個參數的變化范圍分別為45mm＜R1＜54mm、55 mm＜R2＜65 mm，30 mm＜H1＜35 mm、30 mm＜H2＜35 mm。在上述變化范圍內，軟件會不停地迭代計算，直到得到最優結果。

圖3 回轉平臺結構優化改進對象

支耳結構的厚度和圓弧半徑越大，對應的剛性越強，但笨重的結構會增加回轉平臺加工成本及運行時的能耗，因此需將支耳結構的安全系數控制在1.8～2.5。安全系數為材料許用應力值與結構承受的最大應力之間的比值。

3.2 優化改進結果

通過優化計算得到水平回轉支耳圓弧半徑和厚度分別為54 mm、32 mm，上下升降支耳圓弧半徑和厚度分別為60 mm、33 mm。以上4 個結構參數對應的原始數值分別為45 mm、30 mm、55 mm 和30 mm，對應的增大幅度分別為16.67%、6.25%、8.33%和9.09%。通過增大支耳結構的圓弧半徑和厚度大小，在一定程度上提升了該位置的剛度，從而降低了其位移變形和受力大小。

基于優化改進后的結構參數，再次利用SOLIDWORKS 和ANSYS 軟件建立有限元模型并進行受力分析，所得結果如下頁圖4 所示。

由下頁圖4 可知，優化改進后掘進機回轉平臺在工況4 條件下對應的位移云圖和受力云圖與優化前相比較，其分布規律基本相同，最大變形和受力均出現在支耳部位，但是最大值分別降低到0.739 mm和191 MPa。與優化改進前相比，降低幅度分別為23.34%和16.96%。回轉平臺的生產制作材料為Q345，該材料的許用應力值為345 MPa。回轉平臺的最大應力值為191 MPa，其安全系數為1.8，達到了優化改進目標。綜上，通過對回轉平臺支耳部位的結構進行優化改進，使得回轉平臺整體的變形和受力情況更加均勻。

圖4 優化改進后回轉平臺工況4 條件下的位移和受力云圖

4 優化改進效果評價

將上述回轉平臺結構優化改進方案應用到EBZ260型掘進機中，并對其實踐應用效果進行了連續3 個月的觀察與測試，取得了很好的效果。通過此次優化改進，使得回轉平臺的運行穩定性和可靠性得到了顯著提升。設備的故障率得到了有效控制，經過初步估計認為，回轉平臺結構的故障率可以降低20%以上，為煤礦企業節省了設備維護保養成本。同時保障了掘進機的開機時間，為采煤效率的提升奠定了良好的基礎。在整個測試期間，掘進機回轉平臺沒有出現大的故障問題，說明了此次優化改進方案是有效的。

5 結論

回轉平臺是掘進機中的重要結構件，工作時需要承受較大的載荷。以EBZ260型掘進機為例，對回轉平臺工作過程中的受力情況進行分析，發現支耳結構的位移變形和受力情況最為顯著。利用ANSYS軟件對支耳部位進行優化改進，主要是提升其厚度和圓弧半徑，從而提升支耳結構的剛度。通過優化改進，使得支耳的安全系數提升到了1.8，有效保障了回轉平臺使用過程中的安全性。將優化改進方案應用到掘進機工程實踐中，使得回轉平臺的故障率降低了20%以上，為煤礦企業創造了良好的經濟效益。