矿用掘进机回转平台力学分析及优化研究
时间：2023-02-08 14:55:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张 清
（山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司，山西 高平 048400）
掘进机是煤矿开采过程中非常重要的机电装备，其性能好坏会对煤矿开采效率产生重要的影响[1]。随着煤矿领域技术水平的不断提升，对各种煤矿开采设备性能要求越来越高。目前掘进机正朝着自动化、重型化方向发展，对掘进机关键机械结构件的性能提出了更高的要求[2]。回转平台是掘进机中重要的承力结构件，利用该结构可以将左右机架以及悬臂机械进行连接，实现悬臂的左右回转和上下升降[3]。悬臂工作时承受的作用力都要通过回转平台传递到底座中，如果回转平台的力学性能不够，就容易出现故障问题，影响掘进机的正常运行。本文利用ANSYS软件建立了掘进机回转平台的有限元模型，并进行受力分析，对结构进行优化改进，对于提升掘进机的运行稳定性具有一定的现实意义。
目前，煤矿中使用的掘进机回转平台主要有两种传动模式，第一为齿条油缸传动模式，第二为推拉油缸传动模式。本研究以煤矿中使用较多的EBZ40型掘进机为对象进行研究，此设备采用的是第二种传动模式。如图1所示为EBZ40型掘进机回转平台的传动过程原理图。在回转平台后侧的左右方分别布置有回转油缸，此两油缸共同作用可以实现平台在水平方向的转动。在回转平台前方下侧设置有升降油缸，控制悬臂在上下方向上的移动。总之，回转平台是掘进机中连接悬臂结构和机体的重要结构件，工作时需要承受很大的载荷，要求具有良好的综合性能。
2.1 三维模型的建立
图1 EBZ40型掘进机回转平台的传动模式示意图
本研究中首先利用UG软件建立掘进机回转平台的三维几何模型，为了确保模型计算的正确性，模型中所有尺寸全部按EBZ40型掘进机回转平台实际尺寸执行。考虑到机械结构件中一些细小结构尺寸会对计算过程产生不良影响，严重时导致计算过程无法顺利进行。因此将回转平台中一些倒角、倒圆、小孔等尺寸忽略处理。将建立好的三维模型导出为stl通用格式，导入到ANSYS软件中进行有限元模型建立。
2.2 有限元模型的建立
在ANSYS软件中首先需要对模型进行网格划分，划分质量会对计算过程和结果产生非常重要的影响。选择SOLID45型六面体单元结构单元对模型进行划分，根据实际情况将单元边长设置为5～15 mm，然后进行自动化网格划分，最终划分得到的单元和节点数量分别为26 432和37 438个。回转平台的制作材料为Q345，查阅材料手册可知，材料的弹性模量和泊松比分别为20 GPa和0.3，屈服极限值为345 MPa，将上述材料参数输入到有限元模型中。考虑到回转平台将悬臂放置在最上、最左位置时，回转平台的受力情况最为复杂，所以本研究中以此工况作为计算条件。如图2所示为回转平台的有限元模型。
图2 回转平台的有限元模型
根据以上步骤完成建模工作后，可以调用软件中的计算模块进行分析计算，然后对回转平台的应力场和应变场进行提取分析。如图3所示为EBZ40型掘进机回转平台工作时的应力场和应变场分布情况。
图3 回转平台的变形（m）和应力（MPa）分析结果
由应变场分布云图可知，整个回转平台不同区域承受的应变存在很大差异，最大应变值出现在与升降油缸连接的耳座部位，与该耳座距离越远，相应的应变值越低。回转平台的最大变形量为0.964 mm，说明该部位属于危险位置，对回转平台结构进行优化改进时，需重点考虑此位置。
从回转平台应力场分布云图可以看出，应力分布同样呈现出明显的不均匀性，局部位置出现了明显的应力集中现象，但绝大部分区域的应力值相对较小。出现应力集中的部位为回转油缸附近区域，对应的应力最大值为230 MPa。除上述区域出现了应力集中外，还可以发现回转平台中的其他耳座区域的受力也相对更大。说明耳座是容易出现损伤甚至破坏的位置，这与工程实践中耳座部位容易发生损坏的现实情况是相吻合的。验证了本文建立的有限元模型的正确性。所以，在对回转平台进行结构优化时，应该重点考虑耳座部位的结构优化。
4.1 优化改进方案
基于以上分析可知，回转平台工作时除耳座外，其他部分的位移和应力均相对较小，只有耳座部位出现了明显的应变和应力集中现象，导致该部位容易出现故障问题，所以需要对耳座结构尺寸进行优化改进。开展优化改进工作时，为避免回转平台结构尺寸改变对其他结构尺寸造成影响，在优化时确保耳座圆心位置保持不变，只改变耳座的外圆半径和和整体厚度。回转平台有升降耳座和回转耳座，因此共有4个变量，具体如图4所示。其中，B1和B2均在30～35 mm范围内变化，R1和R2分别在45～54 mm和55～65 mm范围内变化。
图4 回转平台结构优化改进目标对象
考虑到回转平台是掘进机中非常重要的承力结构件，工作时需要承受悬臂传递过来的载荷。悬臂工作时除了承受静载荷以外，特殊情况下还需要承受较大的冲击载荷，对回转平台的力学性能要求较高。基于此，为了提升回转平台的使用寿命，进而保障掘进机运行过程的稳定性和可靠性，本研究中以回转平台工作时的最大应力作为优化目标。具体而言，要将回转平台的安全系数控制在2.0～2.5范围内，加工回转平台的材料为Q345，其屈服极限强度为345 MPa。所以，回转平台的最大应力值应在138～172.5 MPa。
优化过程利用有限元软件开展，在上述优化目标结构参数范围内，按照试错法取值，建立有限模型分别进行计算。对比分析不同模型所得应力和应变结果，直到回转平台应力最大值在138～172.5 MPa范围内。
4.2 结果分析
根据以上优化改进方案开展回转平台的优化工作，最终得到优化结果。R1、R2、B1、B2的取值分别为54 mm、60 mm、32 mm、33 mm。以上四个参数的原始数据分别为45 mm、55 mm、30 mm、30 mm，通过此次优化改进，对应四个结构参数增加量分别为20%、9.09%、6.67%、10%。如图5所示为在工况条件完全相同的情况下，优化改进后回转平台的应力场和应变场分布基本情况。
图5 优化后回转平台的变形（m）和应力（MPa）分布情况
从图5中可以看出，优化后的回转平台应变场和应力场分布同样表现出很大的不均匀性，只有局部位置出现了应变集中和应力集中现象，且出现应变集中和应力集中的位置与优化改进前相比基本相同。但是最大变形量值和最大应力值均出现了一定程度降低，分别为0.739 mm和171 MPa，与优化改进前相比分别降低了22.70%和25.65%。过大的应力集中现象是导致机械结构出现损伤，进而出现故障的重要原因之一，通过降低最大应力能显著提升机械结构的使用寿命。
将优化改进后的回转平台结构应用到EBZ40型掘进机中，经过将近1年时间的运转，发现该结构整体运行情况良好，未出现明显的故障问题，说明此次优化改进是有效的，达到了预期目的。使用寿命方面，与优化改进前相比，回转平台的使用寿命提升了20%～30%。设备故障率降低，一方面降低了企业的维护保养成本，另一方面降低了设备的停机维修时间，极大地提升了煤矿开采效率，为煤矿企业创造了良好的经济效益。
耳座部位优化改进前后回转平台的受力均呈现出明显的不均匀性。其中耳座部位出现了一定的应力集中现象，该部位容易出现缺陷问题与现实情况基本吻合。优化前和优化后的最大应力值别为230 MPa和171 MPa。将优化后的回转平台应用到掘进机工程实践中，发现运行效果良好，显著提升了回转平台结构的使用寿命，为掘进机的可靠稳定工作奠定了良好的基础。
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