礦用掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的優(yōu)化改進(jìn)與應(yīng)用研究

李 軍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 長(zhǎng)治 046600）

引言

隨著煤礦領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)礦井的機(jī)械化水平要求越來(lái)越高[1]。對(duì)于中小型煤礦企業(yè)，發(fā)展綜掘機(jī)械化是非常好的方向[2]。掘進(jìn)機(jī)是煤礦開(kāi)采中非常關(guān)鍵和重要的機(jī)械裝備之一，其性能好壞對(duì)采煤效率有直接影響[3]。提升礦用掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性是煤礦企業(yè)必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。回轉(zhuǎn)平臺(tái)是掘進(jìn)機(jī)中的重要構(gòu)成部分之一，結(jié)構(gòu)上分別與左右機(jī)架和懸臂機(jī)械進(jìn)行連接，作用是確保掘進(jìn)機(jī)截割頭能夠在左右方向旋轉(zhuǎn)、上下方向升降，工作時(shí)需要承受較大的載荷，且存在沖擊載荷的影響，所以對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的性能要求較高[4-5]。一旦回轉(zhuǎn)平臺(tái)出現(xiàn)故障，勢(shì)必會(huì)影響掘進(jìn)機(jī)的正常運(yùn)行[6]。基于此，有必要對(duì)掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行分析，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案，進(jìn)一步提升回轉(zhuǎn)平臺(tái)的可靠性。

1 掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析

以EBZ260型礦用掘進(jìn)機(jī)為例進(jìn)行分析，該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)在中小型煤礦企業(yè)中有著非常廣泛的應(yīng)用。圖1 所示為EBZ260型礦用掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖。由圖1 中可以看出，回轉(zhuǎn)平臺(tái)由多個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)件構(gòu)成。回轉(zhuǎn)平臺(tái)底座設(shè)置有大的回轉(zhuǎn)軸承，兩側(cè)位置分別設(shè)置油缸，通過(guò)兩個(gè)油缸之間的聯(lián)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)圍繞回轉(zhuǎn)軸承進(jìn)行左右方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，還設(shè)置了升降油缸，作用是實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)平臺(tái)在上下方向上的移動(dòng)。回轉(zhuǎn)平臺(tái)與油缸之間通過(guò)支耳連接，所以支耳部位的受力通常相對(duì)較大。回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能的好壞，會(huì)對(duì)掘進(jìn)機(jī)設(shè)備運(yùn)行的效率和可靠性產(chǎn)生直接影響。在對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題主要包括回轉(zhuǎn)平臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定性和慣性力、結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和剛度等。

圖1 掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

2 回轉(zhuǎn)平臺(tái)工作時(shí)的受力分析

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)圖1 所示的結(jié)構(gòu)尺寸，利用SOLIDWORKS軟件建立回轉(zhuǎn)平臺(tái)的三維幾何模型，并將其導(dǎo)出為STL 格式后導(dǎo)入ANSYS 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料屬性的設(shè)置。網(wǎng)格采用六面體單元自動(dòng)劃分，最終得到的網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為16 732 和19 239。材料屬性同樣是影響計(jì)算結(jié)果的重要參數(shù)，掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的生產(chǎn)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(jìn)行計(jì)算。

2.2 結(jié)果分析與討論

掘進(jìn)機(jī)正常工作時(shí)，當(dāng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)處于不同狀態(tài)時(shí)承受的載荷會(huì)存在一定程度差異。分析了4 種典型工況條件下回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)處在不同工況條件下的最大變形和最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表1 中數(shù)據(jù)可知，回轉(zhuǎn)平臺(tái)處于工況1 條件時(shí)的變形和承受載荷均最小；在工況4 條件下承受的最大應(yīng)力及最大變形情況最為嚴(yán)重，分別達(dá)到了230 MPa 和0.964 mm。

表1 回轉(zhuǎn)平臺(tái)不同工況時(shí)的最大變形和最大應(yīng)力

考慮到工況4 是回轉(zhuǎn)平臺(tái)的位移變形和受力最為嚴(yán)重的工況，將其稱為危險(xiǎn)工況。以下主要對(duì)該工況下的位移變形和受力情況進(jìn)行分析。圖2 所示為掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(xiàn)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(xiàn)較大的位移變形，說(shuō)明該部位的剛度相對(duì)較差。從圖2-2 可知，支耳部位的受力與其他部位比較相對(duì)更大，說(shuō)明支耳部位的受力更加危險(xiǎn)。

圖2 掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)工況4 條件下的變形和受力云圖

3 回轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

3.1 優(yōu)化改進(jìn)的基本方案

基于以上分析可知，回轉(zhuǎn)平臺(tái)工作時(shí)與油缸相連接支耳部位的位移變形和受力情況最為危險(xiǎn)，說(shuō)明該部位的剛度較小，工作時(shí)存在一定的危險(xiǎn)性，回轉(zhuǎn)平臺(tái)容易在支耳部位發(fā)生損壞。這與實(shí)踐應(yīng)用情況較吻合，回轉(zhuǎn)平臺(tái)支耳的故障率相對(duì)較高。因此，對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，主要是對(duì)支耳進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化改進(jìn)工作在ANSYS 軟件中進(jìn)行，優(yōu)化目標(biāo)為回轉(zhuǎn)平臺(tái)支耳的位移變形和受力情況，盡量將其控制在相對(duì)較低的水平。優(yōu)化改進(jìn)對(duì)象為水平回轉(zhuǎn)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(gè)參數(shù)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(nèi)，軟件會(huì)不停地迭代計(jì)算，直到得到最優(yōu)結(jié)果。

圖3 回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)對(duì)象

支耳結(jié)構(gòu)的厚度和圓弧半徑越大，對(duì)應(yīng)的剛性越強(qiáng)，但笨重的結(jié)構(gòu)會(huì)增加回轉(zhuǎn)平臺(tái)加工成本及運(yùn)行時(shí)的能耗，因此需將支耳結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)控制在1.8～2.5。安全系數(shù)為材料許用應(yīng)力值與結(jié)構(gòu)承受的最大應(yīng)力之間的比值。

3.2 優(yōu)化改進(jìn)結(jié)果

通過(guò)優(yōu)化計(jì)算得到水平回轉(zhuǎn)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(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的原始數(shù)值分別為45 mm、30 mm、55 mm 和30 mm，對(duì)應(yīng)的增大幅度分別為16.67%、6.25%、8.33%和9.09%。通過(guò)增大支耳結(jié)構(gòu)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(yōu)化改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，再次利用SOLIDWORKS 和ANSYS 軟件建立有限元模型并進(jìn)行受力分析，所得結(jié)果如下頁(yè)圖4 所示。

由下頁(yè)圖4 可知，優(yōu)化改進(jìn)后掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)在工況4 條件下對(duì)應(yīng)的位移云圖和受力云圖與優(yōu)化前相比較，其分布規(guī)律基本相同，最大變形和受力均出現(xiàn)在支耳部位，但是最大值分別降低到0.739 mm和191 MPa。與優(yōu)化改進(jìn)前相比，降低幅度分別為23.34%和16.96%。回轉(zhuǎn)平臺(tái)的生產(chǎn)制作材料為Q345，該材料的許用應(yīng)力值為345 MPa。回轉(zhuǎn)平臺(tái)的最大應(yīng)力值為191 MPa，其安全系數(shù)為1.8，達(dá)到了優(yōu)化改進(jìn)目標(biāo)。綜上，通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)支耳部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使得回轉(zhuǎn)平臺(tái)整體的變形和受力情況更加均勻。

圖4 優(yōu)化改進(jìn)后回轉(zhuǎn)平臺(tái)工況4 條件下的位移和受力云圖

4 優(yōu)化改進(jìn)效果評(píng)價(jià)

將上述回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用到EBZ260型掘進(jìn)機(jī)中，并對(duì)其實(shí)踐應(yīng)用效果進(jìn)行了連續(xù)3 個(gè)月的觀察與測(cè)試，取得了很好的效果。通過(guò)此次優(yōu)化改進(jìn)，使得回轉(zhuǎn)平臺(tái)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性得到了顯著提升。設(shè)備的故障率得到了有效控制，經(jīng)過(guò)初步估計(jì)認(rèn)為，回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的故障率可以降低20%以上，為煤礦企業(yè)節(jié)省了設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本。同時(shí)保障了掘進(jìn)機(jī)的開(kāi)機(jī)時(shí)間，為采煤效率的提升奠定了良好的基礎(chǔ)。在整個(gè)測(cè)試期間，掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)沒(méi)有出現(xiàn)大的故障問(wèn)題，說(shuō)明了此次優(yōu)化改進(jìn)方案是有效的。

5 結(jié)論

回轉(zhuǎn)平臺(tái)是掘進(jìn)機(jī)中的重要結(jié)構(gòu)件，工作時(shí)需要承受較大的載荷。以EBZ260型掘進(jìn)機(jī)為例，對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)工作過(guò)程中的受力情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)支耳結(jié)構(gòu)的位移變形和受力情況最為顯著。利用ANSYS軟件對(duì)支耳部位進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，主要是提升其厚度和圓弧半徑，從而提升支耳結(jié)構(gòu)的剛度。通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)，使得支耳的安全系數(shù)提升到了1.8，有效保障了回轉(zhuǎn)平臺(tái)使用過(guò)程中的安全性。將優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用到掘進(jìn)機(jī)工程實(shí)踐中，使得回轉(zhuǎn)平臺(tái)的故障率降低了20%以上，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。