礦用掘進機回轉平臺的改進研究

董 杰

（山西長平煤業有限責任公司安監隊， 山西 高平 048411）

引言

掘進機是采煤過程中不可或缺的重要重型機械設備，其運行過程穩定性與采煤效率有直接關系[1-2]。掘進機中回轉平臺是其中非常重要的結構部件，承受著較大的外部載荷[3]。利用回轉平臺可以實現懸臂結構在不同方向上的運動，截割頭工作中產生的載荷都會傳遞到回轉平臺中來[4]。回轉平臺通過支耳與油缸進行連接，通過油缸的驅動實現懸臂結構的移動。可以看出，回轉平臺運行的穩定性對掘進機的正常工作有直接影響。但是在實踐過程中，回轉平臺經常出現各種故障問題，其中支耳的損壞現象最為常見[5-6]。因此非常有必要對回轉平臺的受力情況進行分析，找到引起各種問題的原因，并采取針對性措施進行優化改進，提升其服役穩定性。

1 回轉平臺的結構和作用分析

本文對EBZ-40 型懸臂式掘進機進行研究。懸臂式掘進機回轉臺的傳動方式主要分為兩種，分別為齒條油缸式和推拉油缸式。本文所述EBZ-40 型號懸臂式掘進機采用的是第2 種方式。該種結構形式的回轉平臺共有2 個回轉油缸，分別布置在回轉平臺后方兩側，回轉平臺在平面上的回轉運動可通過這2 個油缸進行控制。回轉平臺在水平面上做回轉運動時會產生一個較大的推力，在平臺底座設計了一個滾動回轉支撐以抵抗此推力。該回轉支撐能夠承受多個方向上的力和力矩，比如傾倒翻力矩、徑向力和軸向力等。如圖1 所示為回轉平臺的總體結構圖。

圖1 回轉平臺的總體結構（單位：mm）

從圖中可以看出，回轉平臺共有多個部分構成。側支板是非常重要的承力結構件，懸臂結構、升降油缸和水平回轉油缸的支耳全部安裝在側支板，上蓋板、下支座以及回轉軸承通過螺栓進行連接，側支板和上蓋板之間進行焊接處理。平臺在裝配時將下支座與機架進行焊接連接，保證了回轉平臺的穩定性。在兩個水平回轉油缸的共同作用下能夠使回轉平臺在水平面上做回轉運動，而通過升降油缸可以控制懸壁機構在豎直方向上做上升和下降運動。

2 回轉平臺模型的建立

2.1 幾何模型的建立

回轉平臺除個別位置通過螺栓進行連接外，絕大部分都是通過焊接方式進行制作，整個結構相對比較復雜。因此在建立回轉平臺模型時，本文提出以下假設：第一，所有的焊接質量良好，焊縫都能夠滿足實際使用需要；第二，忽略焊接過程中的熱應力對板材性能的不利影響；第三，建立三維模型時忽略焊縫，認為板材結構通過焊接形成了一個整體；第四，忽略螺栓連接中的壓緊力對板材性能的影響。基于以上假設并根據圖1 所示的回轉平臺總體尺寸結構，利用PRO/E 三維軟件建立回轉平臺的三維結構模型，并將模型導出為STP 格式，以便導入ANSYS有限元分析軟件時可以有效識別。從圖中可以看出回轉平臺為對稱結構，在建立有限元模型時可以進行對稱建模，只對其中一半進行分析以縮短計算時間。但考慮到回轉平臺在工作過程中上下結構的受力不一定均衡。因此，本文仍然以整個回轉平臺為模型進行計算。

2.2 有限元模型的建立

1）模型的導入以及網格劃分。將PRO/E 建立的三維模型導入到ANSYS 軟件中，然后對模型進行網格劃分。ANSYS 軟件提供了多種形式的網格單元，不同網格單元具有各自的特征，并適合不同場合。本文在綜合考慮計算時間和結果精度的基礎上選用SOLID45 單元對回轉平臺模型進行網格劃分，這種類型的單元為8 節點六面體單元。考慮到回轉平臺整體結構不規則，因此通過掃掠和自由劃分的模式來劃分網格。網格單元的邊長控制在5～15 mm 范圍內。完成網格劃分工作后，得到的單元數量和節點數量分別為126 803 和37 448。

2）材料設置。選用的材料Q345，查閱資料可知材料的彈性模量和泊松比分別為210 GPa 和0.3，屈服強度為345 MPa。將上述物理性能參數輸入到有限元軟件中進行計算。

3）載荷和位移邊界條件。回轉平臺在工作時受到的載荷主要有4 個方面：兩個水平回轉油缸的聯動作用會對回轉平臺產生推力或拉力；懸臂機構對回轉平臺產生的作用力；平臺受到的支撐反力和傾覆力；升降油缸對支耳產生的作用力。由于下支座是通過焊接的方式與機架進行連接，因此在設置邊界條件時，將下支座底部設置為全約束，即在三個方向上全部無法移動。實踐證明，當截割頭在水平方向處在最左側部位、豎直方向處在最上面位置時，回轉平臺的受力情況最為復雜，處于危險狀態。因此，本文基于該狀態模擬回轉平臺受力情況。

3 回轉平臺受力結果分析與討論

建立好回轉平臺有限元模型后，就可以調用軟件計算模塊對模型進行分析和計算。計算速度與模型網格數量存在直接聯系。如圖2 所示為計算得到的危險受力情況下回轉平臺的位移和應力分布云圖。從圖中可以看出，回轉平臺的最大位移量為0.964 mm，且出現最大位移的地方位于升降油缸支耳處，該位置是升降油缸與回轉平臺的連接部位。說明此部位的剛性相對較弱，在工作中最危險，出現故障問題的概率較高，有必要采取措施對該位置進行優化改進。從應力分布云圖中可以看出，回轉平臺的最大應力值為230 MPa，出現最大應力值的部位為上蓋板和右側支板兩者的連接部位。另外，從圖中還可以發現，回轉平臺的應變分布和應力分布都非常不均勻，一些地方基本沒有出現應變和應力，而部分地方卻出現了較大的應變和應力。

圖2 回轉平臺位移和應力分布云圖

油缸與回轉平臺連接的支耳位置具有相對較大的位移值和應力值。大量的實踐經驗也同樣表明，支耳部位最容易出現損壞問題，是主要的故障問題來源之一。本文的計算結果與實際應用情況非常吻合。因此在設計和優化回轉平臺時，必須對支耳部位給予高度關注，采取措施提升其強度和剛度，進而保障整個回轉平臺的使用壽命。

4 回轉平臺優化改進措施及其結果分析

4.1 優化措施

回轉平臺是整個掘進機中的重要承力結構部件，截割頭工作時承受的外力全部會傳遞到回轉平臺中來。因此，回轉平臺服役可靠性對掘進機的安全穩定運行有重要影響。基于上節的分析可以看出，油缸與回轉平臺連接的支耳部位位移和應力都相對較大，這不利于支耳的長時間穩定運行。所以本文主要對支耳的結構進行優化設計，改善該部位的受力狀態。主要對支耳的外圓半徑和厚度值進行優化，優化前后的數據見下表，支耳的位置見表1。

根據優化改進后的尺寸數據，重新利用PRO/E三維軟件建立三維模型，并利用ANSYS 軟件進行受力分析。除支耳部位規格尺寸不一樣外，優化前后有限元模型其他數據全部一樣。

表1 支耳優化前后規格尺寸對比 mm

4.2 優化結果分析

如圖3 所示為優化改進后的回轉平臺位移和應力分布云圖。從圖中可以看出，優化改進后回轉平臺的最大位移值為0.739 mm，比優化改進前降低了23.34%，最大應力值為204 MPa，與優化改進前相比降低了16.96%。由此可以看出，通過對支耳部位的規格尺寸進行優化，顯著降低了回轉平臺的最大位移和應力值，提升了該機構的剛度。基于分析計算結果可知，本文提出的優化改進方案是可行的。將該方案應用到工程實踐中，取得了期望的結果，回轉平臺的剛性得到提升，服役壽命較之前提升了30%以上。

圖3 優化改進后的回轉平臺位移和應力分布云圖

5 結論

回轉平臺是掘進機中的重要構成部分，在工作過程中需要承受較大的外部載荷。本文基于真實的外部載荷條件對回轉平臺進行了靜力學分析，發現油缸與回轉平臺連接的支耳部位位移值和應力值相對其他部位較大，這與實踐過程中支耳容易出現故障問題的現實相吻合。鑒于支耳容易發生故障的事實，本文對其結構進行了優化設計，取得了較好的效果，支耳的位移和應力均出現了很大程度降低。將本文的優化改進方案應用到實踐中，取得了非常顯著的效果，回轉平臺的使用壽命提升了30%以上，為煤礦企業創造了較大的經濟效益。