礦用掘進機回轉平臺力學分析及優化研究

張 清

（山西蘭花科技創業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生重要的影響[1]。隨著煤礦領域技術水平的不斷提升，對各種煤礦開采設備性能要求越來越高。目前掘進機正朝著自動化、重型化方向發展，對掘進機關鍵機械結構件的性能提出了更高的要求[2]。回轉平臺是掘進機中重要的承力結構件，利用該結構可以將左右機架以及懸臂機械進行連接，實現懸臂的左右回轉和上下升降[3]。懸臂工作時承受的作用力都要通過回轉平臺傳遞到底座中，如果回轉平臺的力學性能不夠，就容易出現故障問題，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平臺的有限元模型，并進行受力分析，對結構進行優化改進，對于提升掘進機的運行穩定性具有一定的現實意義。

1 掘進機回轉平臺概述

目前，煤礦中使用的掘進機回轉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型掘進機回轉平臺的傳動過程原理圖。在回轉平臺后側的左右方分別布置有回轉油缸，此兩油缸共同作用可以實現平臺在水平方向的轉動。在回轉平臺前方下側設置有升降油缸，控制懸臂在上下方向上的移動。總之，回轉平臺是掘進機中連接懸臂結構和機體的重要結構件，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型掘進機回轉平臺實際尺寸執行。考慮到機械結構件中一些細小結構尺寸會對計算過程產生不良影響，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格劃分，劃分質量會對計算過程和結果產生非常重要的影響。選擇SOLID45型六面體單元結構單元對模型進行劃分，根據實際情況將單元邊長設置為5～15 mm，然后進行自動化網格劃分，最終劃分得到的單元和節點數量分別為26 432和37 438個。回轉平臺的制作材料為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，將上述材料參數輸入到有限元模型中。考慮到回轉平臺將懸臂放置在最上、最左位置時，回轉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所示為回轉平臺的有限元模型。

圖2 回轉平臺的有限元模型

3 回轉平臺受力結果分析

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

圖3 回轉平臺的變形（m）和應力（MPa）分析結果

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

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

4 回轉平臺結構優化研究

4.1 優化改進方案

基于以上分析可知，回轉平臺工作時除耳座外，其他部分的位移和應力均相對較小，只有耳座部位出現了明顯的應變和應力集中現象，導致該部位容易出現故障問題，所以需要對耳座結構尺寸進行優化改進。開展優化改進工作時，為避免回轉平臺結構尺寸改變對其他結構尺寸造成影響，在優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。回轉平臺有升降耳座和回轉耳座，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范圍內變化，R1和R2分別在45～54 mm和55～65 mm范圍內變化。

圖4 回轉平臺結構優化改進目標對象

考慮到回轉平臺是掘進機中非常重要的承力結構件，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，對回轉平臺的力學性能要求較高。基于此，為了提升回轉平臺的使用壽命，進而保障掘進機運行過程的穩定性和可靠性，本研究中以回轉平臺工作時的最大應力作為優化目標。具體而言，要將回轉平臺的安全系數控制在2.0～2.5范圍內，加工回轉平臺的材料為Q345，其屈服極限強度為345 MPa。所以，回轉平臺的最大應力值應在138～172.5 MPa。

優化過程利用有限元軟件開展，在上述優化目標結構參數范圍內，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力和應變結果，直到回轉平臺應力最大值在138～172.5 MPa范圍內。

4.2 結果分析

根據以上優化改進方案開展回轉平臺的優化工作，最終得到優化結果。R1、R2、B1、B2的取值分別為54 mm、60 mm、32 mm、33 mm。以上四個參數的原始數據分別為45 mm、55 mm、30 mm、30 mm，通過此次優化改進，對應四個結構參數增加量分別為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，優化改進后回轉平臺的應力場和應變場分布基本情況。

圖5 優化后回轉平臺的變形（m）和應力（MPa）分布情況

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

將優化改進后的回轉平臺結構應用到EBZ40型掘進機中，經過將近1年時間的運轉，發現該結構整體運行情況良好，未出現明顯的故障問題，說明此次優化改進是有效的，達到了預期目的。使用壽命方面，與優化改進前相比，回轉平臺的使用壽命提升了20%～30%。設備故障率降低，一方面降低了企業的維護保養成本，另一方面降低了設備的停機維修時間，極大地提升了煤礦開采效率，為煤礦企業創造了良好的經濟效益。

5 結語

耳座部位優化改進前后回轉平臺的受力均呈現出明顯的不均勻性。其中耳座部位出現了一定的應力集中現象，該部位容易出現缺陷問題與現實情況基本吻合。優化前和優化后的最大應力值別為230 MPa和171 MPa。將優化后的回轉平臺應用到掘進機工程實踐中，發現運行效果良好，顯著提升了回轉平臺結構的使用壽命，為掘進機的可靠穩定工作奠定了良好的基礎。