ebz220 型掘進機回轉平臺受力分析及結構優化設計研究

原鵬程

（潞安化工集團潞寧煤業有限責任公司， 山西 寧武 036706）

引言

煤礦開采中掘進機是必不可少的機械裝備，其整體結構由多個部分構成[1]。在所有的結構中回轉平臺結構功能比較特殊，上與截割機構進行連接，下與機身進行連接，起到承上啟下的作用[2]。在回轉平臺的作用下，可以實現截割頭的各種動作，確保掘進過程的順利進行。由于回轉平臺與截割頭進行連接，所以掘進機工作時外部作用在截割頭上的力會通過回轉平臺傳遞到掘進機機身中[3-4]。可見回轉平臺在工作時需要承受很大的外部作用力，這對該機構的力學性能提出了相對較高的要求[5]。如果回轉平臺結構設計不合理，當受到較大外部載荷沖擊時就容易出現斷裂問題，威脅掘進機設備運行的可靠性和穩定性[6]。因此對ebz220 型掘進機回轉平臺的受力情況進行分析，在此基礎上對其結構進行優化設計，以提升回轉平臺的整體的力學性能。

1 ebz220 型掘進機及回轉平臺概述

掘進機有兩種常見結構形式，分別為橫軸式和縱軸式，不同結構各有優缺點，需要充分結合實際情況合理選用。本文研究的ebz220 型掘進機屬于縱軸式掘進機，所謂縱軸式指的是截割壁軸線與截割頭軸線在同一條直線上。ebz220 型掘進機由多個機構構成，其中截割機構屬于工作機構，設備運行時截割頭高速旋轉對煤壁或巖體進行切割。回轉平臺的作用是輔助截割機構完成上下左右移動，使之適應不同的環境。

如圖1 所示為ebz220 型掘進機回轉平臺機構及其連接部分的結構示意圖。回轉平臺結構位于整個掘進機的中部位置，配備有4 個液壓油缸，以驅動截割機構完成各種動作。其中2 個油缸實現截割機構的上升和下降運動，2 個油缸實現截割機構的左右擺動。從圖中可以看出，截割機構與回轉平臺機構是直接相連的，截割機構工作時受到的外部作用力都會傳遞到回轉平臺機構中?；剞D平臺為實現其功能，導致結構相對比較復雜，在較大載荷沖擊作用下容易產生失效問題，威脅掘進機的安全可靠運行。本研究主要對ebz220 型掘進機回轉平臺工作時的受力情況進行分析，在此基礎上找到回轉平臺機構的薄弱環節，提出優化改進措施，以提升回轉平臺機構的性能。

圖1 ebz200 型掘進機回轉平臺機構及其連接部分結構示意圖

2 回轉平臺機構模型的建立

2.1 三維模型建立

掘進機回轉平臺機構主要由回轉支承、壓板和回轉耳座等部分構成，可以看出整個機構比較復雜。為簡化模型計算過程，省略了機構中對計算結果影響不大的細節，比如圓角部分。為保障回轉平臺機構精確的受力狀態，除建立回轉平臺機構自身模型外，還建立了與回轉平臺直接連接接觸機構的模型。利用UG 軟件完成三維建模工作，建模尺寸參考機構的實際尺寸，以便獲得真實的結果，模型建立結果如上頁圖1 所示。本研究需要用ANSYS 軟件對回轉平臺機構的受力情況進行分析，所以完成三維建模工作后還需要將其轉換成ANSYS 軟件能夠識別的STL 格式。

2.2 有限元模型的建立

將建立好的STL 格式三維模型導入到ANSYS軟件中，具體過程如下：首先，設置回轉平臺的材料屬性，該機構基于Q345 材料生產加工制作。查閱材料手冊可知，該種材料的彈性模量、泊松比和屈服強度大小分別為210 GPa、0.3 和345 MPa。因為本模型主要分析回轉平臺的受力，所以將其他機構全部設置為剛體以節省計算時間。同時還要設置不同機構之間的相對運動形式，準確設置各運動副的類型。

再次，需要進行網格劃分，ANSYS 軟件中有多種網格類型可供選擇，常見的包括四面體網格、六面體網格和八面體網格，網格劃分方法同樣有很多。不同的網格類型和劃分方法所得結果略有差異，所以需要根據實際情況合理選用。本研究中選用的是自動網格劃分方法，采用四面體網格類型，系統可以基于模型結構特點自動進行網格劃分。網格劃分完成后，回轉平臺機構的節點和網格數量分別為213 895和139 648。

最后，需要設置模型的初始受力狀態。掘進機工作時外部作用力直接作用在截割機構上，然后傳遞到回轉平臺中。實際工作狀態下截割機構受力情況較為復雜，為了簡化模型受力設置，將外部作用在截割機構上的力分解成X、Y、Z 三個方向的力?？紤]掘進機實際工作狀態，將截割機構在三個方向上的受力分別設置為80 kN、100 kN 和900 kN。

3 回轉平臺機構受力狀態分析

根據上述要求建立好掘進機回轉平臺機構有限元模型后，可以調用ANSYS 軟件中的求解模塊對模型進行分析計算。完成求解后開始對模型進行后處理，提取回轉平臺機構的受力狀態，如圖2 所示為回轉平臺機構的受力狀態云圖。從圖中可以明顯看出，整個回轉平臺的受力狀態非常不均勻，不同位置的受力大小存在明顯差異。其中受力相對較大的位置包括與液壓油缸連接的耳座、一些拐角區域，而繞機身旋轉的軸孔外側受力卻相對較小，應力最大值達到了264.45 MPa。

圖2 回轉平臺機構受力（MPa）分析結果

回轉平臺機構的生產加工材料為Q345，該材料的屈服強度為345 MPa?；趫D2 中的結果，回轉平臺的最大應力值為264.45 MPa。雖然機構最大應力沒有超過材料屈服強度，但是機構處于一個較高的應力狀態。掘進機的工作特征決定了截割機構需要承受循環交替的外部載荷，傳遞到回轉平臺中的力同樣是循環交替的。在較高的循環應力狀態下，機構容易出現疲勞損傷，最終發生失效，威脅設備的可靠運行。基于此有必要對掘進機回轉平臺機構的結構進行局部優化設計，以降低機構的最大受力狀態，使整個機構的受力變得更加均勻，提升機構的使用壽命。

4 回轉平臺機構的優化設計研究

4.1 優化設計方案

基于上述結果可知，最大應力值主要出現在與壓油缸連接的耳座以及部分拐角區域。耳座部位出現應力集中是由于厚度偏小導致剛度不足引起的，而拐角區域出現的應力集中是由于結構突變造成的，實際上這部分區域是存在圓角的。因此在實際運行時這些拐角區域基本不會發生應力集中問題。因此本研究只需要對耳座部位的結構進行優化設計即可。耳座部位出現應力集中的原因在于該部位的剛度不足，所以可以在原設計的基礎上將耳座部位厚度分別增加5 mm，目的在于提升該部位的剛度和強度。

4.2 優化設計結果驗證

根據回轉平臺優化設計結果，再次利用UG 軟件和ANSYS 軟件進行有限元模型的建立及分析計算。如圖3 所示為優化改進后的回轉平臺機構受力狀態云圖。由圖可知，回轉平臺的受力狀態變得均勻化，且整體的受力大小有了顯著降低。最大應力值仍然出現在與壓油缸連接的耳座中，但最大應力降低到了183.99 MPa。與原設計相比較而言，最大的應力降低了80.46 MPa。最大應力值的降低意味著該機構能夠承受更長時間的循環外部載荷，能夠延長機構的使用壽命。

圖3 優化后回轉平臺機構的受力（MPa）狀態

基于以上分析結果可知，通過對掘進機回轉平臺機構的優化改進，顯著提升的機構的服役性能。根據實踐數據表明，優化后的回轉平臺機構，其使用壽命至少提升了30%以上，為保障掘進機的穩定可靠運行奠定了堅實的基礎。

5 結論

1）原始的回轉平臺機構服役時存在受力不均勻的問題，且最大應力值達到了264.45 MPa。再加上循環載荷作用，使得回轉平臺機構非常容易出現疲勞損傷，最終導致結構失效的問題。

2）考慮到回轉平臺機構存在的應力集中問題，對該機構進行優化設計，主要是對與壓油缸連接的耳機進行優化，將所有耳座厚度均增加5 mm。通過增加厚度可以在一定程度上提升耳座結構的強度和剛度值。

3）將優化改進后的回轉平臺機構再次進行建模分析，發現機構的受力狀態變得更加均勻，最大應力值降低到了183.99 MPa，與原機構相比較而言最大應力值有了顯著降低。實踐數據表明，優化后的回轉平臺機構使用壽命至少提升30%以上。