基于ANSYS的EBZ200型掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的有限元分析

申麗兵，崔衛(wèi)秀

(陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)和順新大地煤業(yè)有限公司職工學(xué)校，山西 和順 032700)

0 引 言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在煤礦隧道掘進(jìn)中的逐步推廣和大量使用,提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益,已成為主要產(chǎn)煤國(guó)家不可缺少的設(shè)備。懸臂式掘進(jìn)機(jī)中的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，一方面承受著工作機(jī)構(gòu)所有的切割阻力和阻力矩，一方面完成著工作機(jī)構(gòu)的水平進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（回轉(zhuǎn)耳架及擺動(dòng)油缸組成）。它的可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到整機(jī)的使用周期，其尺寸大小也直接影響到整機(jī)的高度和寬度等總體參數(shù)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算通常采用解析法，其對(duì)簡(jiǎn)化計(jì)算、初始設(shè)計(jì)有一定的理論意義，但是由于擺動(dòng)油缸受到油液沖擊載荷的影響，以及截割礦巖時(shí)的載荷是變化的，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)受的力矩并不是定值。EBZ200型懸臂式掘進(jìn)機(jī)有截割功率大、重心低、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)動(dòng)靈活等特點(diǎn)。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是其重要部件，它連接機(jī)架、支撐截割臂,實(shí)現(xiàn)截割頭的鉆進(jìn)掏槽、掃落煤巖、截割臂的升降、回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng),并承受來自截割頭的復(fù)雜多變的沖擊載荷,因此它的性能將直接關(guān)系到掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定性及工作效率[1]。

本文利用CAD建模軟件Unigraphics，對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立了三維實(shí)體模型；然后利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵零件進(jìn)行了應(yīng)力-應(yīng)變分析，得到了回轉(zhuǎn)耳架在實(shí)際工況下的應(yīng)力和變形分布，為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的有限元分析過程如下。

1 材料屬性的添加及單元的劃分

有限元初始模型先要添加材料屬性及劃分網(wǎng)格。回轉(zhuǎn)耳架添加材料屬性，見圖1。

ANSYS軟件對(duì)網(wǎng)格的劃分有兩種：1）自由劃分網(wǎng)格(FreeMeshing)對(duì)于單元形狀無限制，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)位置較隨意，在其體上可自動(dòng)生成四面體網(wǎng)格。2）映射網(wǎng)格劃分(MappedMeshing)生成的單元形狀較規(guī)則，必須包含六面體、五面體、四面體單元，在相對(duì)的面和邊上所定義的單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)必須相等，對(duì)于復(fù)雜邊界模擬能力較自由劃分網(wǎng)格差。如果要采用循環(huán)對(duì)稱法計(jì)算，則采用六面體單元，必須用映射分網(wǎng)。因?yàn)榛剞D(zhuǎn)耳架模型不規(guī)則，故選用自由網(wǎng)格劃分法。

圖1 材料屬性對(duì)話框

有限元法是用有限個(gè)單元將連續(xù)體離散化，采用數(shù)值計(jì)算方法分別計(jì)算每個(gè)單元，屬近似計(jì)算方法。如果劃分網(wǎng)格較密集，或者劃分單元形式正確，則計(jì)算結(jié)果與理論結(jié)果較相近。如果網(wǎng)格加密，可能獲得更加精確的結(jié)果；但因網(wǎng)格過密，又會(huì)造成計(jì)算量過大、計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)、結(jié)果精度并未提高很多，需要綜合考慮各方面的因素。假如網(wǎng)格精度適當(dāng)，較小的網(wǎng)格精度也能得到精確結(jié)果[2]。

ANYSYS提供了多種網(wǎng)格劃分格式，常用的有四面體實(shí)體單元、三角形實(shí)體單元，以及六面體實(shí)體單元。這些劃分算法中又分為線形和拋物線形，拋物線形的接點(diǎn)多于線形的接點(diǎn)，因此計(jì)算精度高，但占用計(jì)算機(jī)的資源多，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。因?yàn)榛剞D(zhuǎn)耳架是用三維實(shí)體建模，采用拋物線形四面體實(shí)體單元?jiǎng)澐帧⒕植考用埽员憔_算出這些部位的應(yīng)力[3]。本文利用AN?SYS Workbench自動(dòng)劃分網(wǎng)格，得到初始網(wǎng)格結(jié)果，并在各鉸接點(diǎn)處細(xì)化網(wǎng)格，最終結(jié)果見圖2。從圖2看出，模型共有61 144個(gè)節(jié)點(diǎn)，33 594個(gè)四面體單元。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2 約束與載荷的添加

考慮到回轉(zhuǎn)耳架與回轉(zhuǎn)軸承采用的是螺栓聯(lián)接，對(duì)回轉(zhuǎn)耳架的回轉(zhuǎn)中心添加全約束，對(duì)各個(gè)鉸接點(diǎn)按照動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果中的平均值，分別按照軸向力、徑向力、豎直方向力添加載荷。當(dāng)模型、網(wǎng)格、約束、加載均已完成后,采用稀疏矩陣法(Sparse Solver)對(duì)其求解。分析所得結(jié)果[4]，見圖3。從圖看出,回轉(zhuǎn)耳架的最大應(yīng)力接近于不同部件的焊接處和有角的部位,這與回轉(zhuǎn)耳架實(shí)際損壞部位符合,故在后續(xù)加工中,應(yīng)增加焊口強(qiáng)度。

圖3 載荷添加

3 有限元的結(jié)果分析

經(jīng)過前期準(zhǔn)備，得到模型等效應(yīng)力分布見圖4，變形趨勢(shì)見圖5。結(jié)果顯示，回轉(zhuǎn)耳架最大等效應(yīng)力67.204 MPa，最大變形1.030 2 mm。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得 ZG45的許用應(yīng)力：[σ]=0.2σs=0.2×370=74 MPa，由于67.204 MPa＆lt;[σ]，結(jié)構(gòu)安全。但是，由于對(duì)模型所施加的載荷為掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)的平均值，最大應(yīng)力已經(jīng)逼近許用應(yīng)力，如果掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)劇烈震蕩，或者截割煤巖硬度較高（本模型截割負(fù)載15 t），很有可能達(dá)到或超過許用值，故在今后的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮避免這種狀況的出現(xiàn)[5]。

圖4 等效應(yīng)力分布云圖

圖5 受力變形云圖

[1] 馬躍.談我國(guó)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展及趨勢(shì)[J].煤，2005，15(2)：29-32.

[2] 趙經(jīng)文.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：科學(xué)出版社，1986.

[3]黃燕.橫軸式掘進(jìn)機(jī)動(dòng)態(tài)模型的建立及動(dòng)力學(xué)行為的研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2002：12-16.

[4] 王成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京：清華出版社，1997.

[5] 高德平.機(jī)械工程中的有限元法基礎(chǔ)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1993.