煤礦掘進機回轉平臺疲勞壽命分析及結構優化研究

劉建旗

（西山煤電股份有限公司 馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 概況

掘進機是煤炭開采過程中的關鍵機電裝備，其運行可靠性和穩定性會對煤炭開采效率有非常重要的影響。回轉平臺是掘進機中的重要結構件，主要作用是實現掘進機截割部與機體的連接，同時對截割部的上下和左右移動過程進行控制。工作時截割部產生的作用力都要通過回轉平臺傳遞到機體中，因此回轉平臺需要承受較大的工作載荷，且這種載荷是周期性變化的，所以回轉平臺承受的是周期性載荷，容易產生疲勞損傷。本文以馬蘭礦EBZ300型掘進機為研究對象，基于有限元方法對該掘進機回轉平臺的疲勞壽命進行分析，并在此基礎上對其結構進行優化改進，對提升回轉平臺結構的運行穩定性和使用壽命具有重要的工程實踐意義。

2 有限元模型的建立

2.1 三維模型建立

以馬蘭礦EBZ300 縱軸懸臂式掘進機為對象進行分析，利用SolidWorks 軟件根據該型號掘進機回轉平臺的實際結構尺寸構建三維幾何模型。建立模型時需要結合實際情況對一些細小結構進行簡化處理，目的是在保證計算精度的前提下，提升模型計算的收斂性，加快模型計算速度。將建立好的三維模型導出為STL 通用格式，以備導入到Ansys 軟件中。

2.2 有限元模型建立

將STL 格式模型導入Ansys 軟件后，需要進行網格劃分和材料設置等操作。網格劃分質量會對計算過程和計算精度產生直接影響，軟件提供多種類型的網格單元形式，不同類型單元各有其適用場合，本案例選用的是四面體網格類型。網格尺寸方面由軟件根據整體模型尺寸自動化確定，劃分得到的網格單元數量為13324 個。回轉平臺的加工材料為Q235，其彈性模量212 GPa、泊松比0.3、密度7860 kg/m3，根據以上參數設置模型材料屬性。由于需要研究回轉平臺的疲勞壽命，所以還需要在模型中設置疲勞屬性，如圖1 所示為Q235 材料的S-N 曲線圖，該圖描述的是材料受力與其使用壽命之間的關系曲線。一般而言，工件受力越大則循環次數即使用壽命越低，受力越小則使用壽命越高。

圖1 Q235 材料的S- N曲線Fig.1 S-N curve of Q235 material

3 疲勞壽命分析結果

3.1 結果分析

完成模型分析計算工作后，可以通過Ansys 軟件的后處理程序提取想要的結果。本研究重點對回轉平臺的疲勞壽命進行分析，因此需要提取對應的疲勞壽命分布云圖，如圖2 所示。

圖2 掘進機回轉平臺疲勞壽命分析結果Fig.2 Fatigue life analysis results of rotary platform of roadheader

由圖2 可以明顯看出，回轉平臺不同部位的疲勞壽命有非常大的差異，絕大部分位置的疲勞壽命相對較長，只有少部分位置的疲勞壽命比較短，主要集中在4 根銷軸區域，疲勞壽命最短的只有35468 次。出現這種情況的根本原因在于回轉平臺銷軸部位容易出現應力集中現象，過大的應力值導致對應區域的壽命較低。

3.2 問題分析

回轉平臺4 根銷軸部位出現疲勞壽命較短的原因在于，結構件工作時需要通過4 根銷軸實現截割部的運動控制。截割部截割煤巖時產生的作用力需要通過4 根銷軸進行傳遞，所以承受的作用力比較大，對應的壽命較短。由上文可知，回轉平臺的疲勞壽命最小值為35498 次。假設煤礦掘進機每年的工作時間為300 d，每天工作時間為20 h，回轉平臺載荷循環周期為1.5 h，則可以計算得到回轉平臺的使用壽命大約為8.87 a。可以看出，回轉平臺的使用壽命與掘進機整體裝備的設計使用壽命存在一定的差距，因此有必要對其結構進行優化改進，以提升其整體的使用壽命。

4 回轉平臺的優化改進研究

4.1 優化改進方法

考慮到EBZ300 掘進機是成套成型設備，所以不宜對回轉平臺結構做過大的改動，只能進行小范圍調整。通過分析研究，決定重點對4 根銷軸的規格尺寸進行改進。上銷軸直徑和長度的原始尺寸分別為140 mm 和204 mm，下銷軸直徑和長度的原始尺寸分別為125 mm 和150 mm。如圖3 所示為確定的優化對象取值范圍。

圖3 優化對象的取值范圍Fig.3 Value range of optimization object

優化改進工作以提升回轉平臺的使用壽命為目標。優化思路是在優化對象的取值范圍內分別取值，并利用Ansys 軟件建立有限元模型進行分析，獲得不同參數組合時回轉平臺的使用壽命。將所有有限元模型的計算結果進行對比，使用壽命最長的作為最優結果。

4.2 優化改進結果分析

根據所述的優化改進思路確定了最優結果，其中上銷軸直徑和長度分別為144.93 mm 和211.13 mm，下銷軸直徑和長度分別為128.17 mm 和159.75 mm。可以看出，與原始規格尺寸相比較，4根銷軸的直徑和長度均有了一定程度的增加，增加的幅度依次為3.52%、3.50%、2.54%、6.50%。銷軸結構的規格尺寸增加后，回轉平臺的整體性能有所提升，對應的疲勞壽命由優化前的35498 次增加到了41256 次，增加幅度為16.32%，如圖4 所示。相同工況條件下，回轉平臺的使用壽命可以達到10.314 a。

圖4 回轉平臺優化前后使用壽命對比情況Fig.4 Service life comparison of rotary platform before and after optimization

4.3 應用效果分析

根據以上研究的優化改進方案，對EBZ300 縱軸懸臂式掘進機的回轉平臺進行技術改造，并在馬蘭礦進行實際應用。由于此次改造未對整體結構做過分改動，僅是對4 根銷軸的規格尺寸進行了小幅度調整，因此在實踐應用過程中整體運行穩定。目前優化后的回轉平臺在工程實踐中的服役時間超過半年，期間整體運行良好，沒有出現明顯的故障問題，驗證了優化改進方案的正確性。通過優化改進使回轉平臺結構的使用壽命提升了16.32%，為掘進機整體的運行穩定性和可靠性奠定了堅實的基礎，為企業創造了良好的經濟效益。

5 結語

以馬蘭礦EBZ300 型掘進機回轉平臺為研究對象，利用Ansys 軟件對回轉平臺的疲勞壽命進行分析，并對結構進行優化改進。回轉平臺不同位置的疲勞壽命呈現出明顯的不均勻性，4 根銷軸部位的疲勞壽命最低，只有35468 次，其原因在于該部位容易出現應力集中現象，較高的應力縮短了疲勞壽命。通過對回轉平臺4 根銷軸進行優化改進，使得銷軸的規格尺寸有所提升，回轉平臺整體的疲勞壽命提升到了41256 次，提升的幅度為16.32%。將優化后的回轉平臺部署到EBZ300 掘進機工程實踐中，經現場應用后發現整體性能良好，創造了一定的經濟效益。