EBZ300掘進機回轉平臺受力分析及結構優化*

曹國峰

(大同煤礦集團臨汾宏大隆博煤業有限公司，山西 臨汾 042101)

0 引 言

煤炭資源在我國整個能源結構體系中占據著非常關鍵和重要的位置，近年來煤炭開采效率越來越快[1]。掘進機是煤炭開采中重要的機械裝備，為順應時代發展，目前正朝著重型化和智能化方向發展[2]。煤礦開采環境相對較為惡劣，掘進機工作時需承受復雜的工作載荷。回轉平臺是掘進機中的關鍵承力結構件，因此對其性能要求越來越高[3]。工程實踐中，回轉平臺是容易出現故障問題的結構件之一。如果回轉平臺出現故障問題，會導致掘進機設備無法正常工作，進而影響煤炭開采效率[4]。筆者基于Ansys軟件對EBZ300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改進，在一定程度上提升了設備運行的穩定性和可靠性。

1 掘進機回轉平臺工作原理及問題

以煤礦中經常使用的EBZ300掘進機為對象開展研究工作，該設備工作時最大的截割功率以及能夠截割的最大硬度分別為300 kW和120 MPa，由于具備較高的截割性能，特別適合在巖巷道中開展掘進工作[5]。圖1所示為基于UG軟件建立的簡化后的EBZ300掘進機整體結構三維示意圖，圖中標注了回轉平臺結構的位置。另外，掘進機結構中還包括截割部和行走部等重要的機械結構。回轉平臺安裝在底座中，可以在水平方向做旋轉運動，同時通過銷軸和液壓油缸與截割部進行連接。在升降油缸和回轉油缸的綜合作用下，通過回轉平臺可以實現截割部的上下和左右移動，從而將截割頭送到指定位置對煤壁進行截割。可以看出，截割頭截割過程中承受的載荷需要通過回轉平臺傳遞到底座中，所以回轉平臺工作時會承受比較大的載荷，是容易出現故障問題的結構件之一。

圖1 EBZ300掘進機的整體結構三維圖 圖2 掘進機回轉平臺的三維模型

2 回轉平臺受力分析

2.1 有限元模型建立

首先利用UG軟件根據EBZ300掘進機回轉平臺的實際結構尺寸建立三維幾何模型，建模中需要對一些細小結構，比如倒角、倒圓、小孔等進行忽略處理，這種簡化不會對最終計算結果產生明顯影響，但能顯著加快模型計算時間[6]。圖2所示為掘進機回轉平臺的三維模型。然后將三維模型導入的Ansys軟件中進行材料設置、網格劃分和邊界條件設置等。網格劃分時，在軟件中選擇四面體網格類型，利用軟件自動設置網格單元大小，完成網格單元劃分工作后，獲得的單元數量和節點數量分別為13 242個和15 693個。回轉平臺的生產加工材料為Q235鋼，查閱材料手冊可知，材料的彈性模量和泊松比分別為2.12×1011Pa和0.3，密度大小為7 860 kg/m3，屈服強度為235 MPa，在軟件中根據上述材料參數進行設置。根據回轉平臺實際工況，將邊界條件設置在中心圓孔和四根銷軸上。

2.2 受力結果分析

完成回轉平臺有限元模型的建立工作后，可以調取軟件的分析模塊對模型進行計算，最后提取計算結果進行分析，圖3所示為掘進機回轉平臺的應力分布云圖。從圖中可以看出，回轉平臺承受的應力存在明顯的不均勻性，不同位置承受的應力大小存在顯著的差異，絕大部分位置的應力相對較小，完全在材料能夠承受的范圍以內，只有局部位置出現了應力集中現象。具體而言，應力集中的位置主要在四根銷軸及附近區域。這與回轉平臺的實際工況比較吻合，因為四根銷軸需要與截割部和液壓油缸連接，承受較大的工作載荷。回轉平臺的最大應力值為185.34 MPa。

圖3 回轉平臺受力結果

回轉平臺的加工材料為Q235鋼，屈服強度大小為235 MPa。根據機械設計中的安全系數計算公式：

(1)

式中:n為安全系數；σb和σmax分別為材料的屈服強度和實際承受的最大應力值。

可以計算獲得回轉平臺的安全系數為1.27。根據機械工程中的標準要求，機械結構件的安全系數應該在1.5以上才能保證其穩定可靠運行。基于計算結果可知回轉平臺的安全系數低于安全標準1.5。所以認為回轉平臺存在一定的安全隱患。是容易出現故障問題的重要原因之一。

3 回轉平臺結構優化改進

3.1 優化思路

基于上文分析結果可以看出，掘進機回轉平臺工作時四根銷軸部位承受著較大的應力，且考慮到四根銷軸承受的是周期性的循環載荷，會出現疲勞現象，從而加速銷軸部位的損傷。所以需要對回轉平臺四根銷軸的尺寸進行優化改進，以提升這些部位的承載能力，實現回轉平臺整體結構剛度和強度的提升。如圖4所示為在開展優化改進工作時，回轉平臺四根銷軸的關鍵結構尺寸取值情況，需要說明的是回轉平臺屬于對稱結構，因此上側兩根銷軸和下側兩根銷軸分別具有完全相同的結構尺寸。由圖可知，上銷軸直徑和長度、下銷軸直徑和長度的原始值分別為140、204、125、150 mm，優化改進工作中的最小取值依次為135、194、120、140 mm，最大取值依次為145、214、130、160 mm。

圖4 優化對象的取值情況

按照圖中所示取值范圍，基于正交實驗方法，再次利用UG和Ansys軟件構建回轉平臺的有限元模型，除上述結構參數以外，其他結構參數和屬性設置完全相同。對不同模型的應力分析結果進行對比，取最小值為最優結果。

3.2 優化結果

如圖5所示為優化前后回轉平臺銷軸結構尺寸及最大應力值的對比情況。由圖可知，通過對銷軸結構的優化改進，使得回轉平臺的最大應力值由185.34 MPa降低到了155.63 MPa，降低幅度達到了16.03%。更重要的是，通過對銷軸結構尺寸的優化改進，使得回轉平臺的安全系數提升到了1.51，達到了機械工程中結構件安全設計標準，意味著回轉平臺結構服役運行時的安全程度到顯著提升。圖中還顯示了上銷軸直徑與長度、下銷軸直徑與長度的結果，分別為143.57、202.41、128.94、148.37 mm，與優化改進前相比較，銷軸的直徑尺寸有了一定程度的增大，長度尺寸有了一定程度的降低。

圖5 優化前后銷軸的最大應力及結構尺寸對比情況

3.3 應用效果

將優化后的回轉平臺結構部署到EBZ300掘進機工程實踐中，對其實際運行效果進行連續測試，發現整體運行良好，能夠滿足掘進機的實際使用需要。圖6所示為機械結構受力與疲勞壽命的關系曲線，可以看出，機械結構的應力越小，對應的疲勞壽命越長。

圖6 機械結構受力與疲勞壽命的關系曲線

經現場技術人員的反饋，認為此次對回轉平臺的結構優化改進工作，使得回轉平臺的應力值降低，對應的故障率降低了15%以上，使用壽命也得到了顯著提升。為掘進機的穩定可靠運行奠定了堅實的基礎，為企業創造了良好的經濟和安全效益。

4 結 論

主要以煤礦中常用的EBZ300掘進機為研究對象，利用有限元軟件對回轉平臺的受力情況進行分析，并對結構進行優化改進，所得結論主要如下。

(1) 回轉平臺工作時需要承受截割頭傳遞的載荷，容易出現應力集中現象，是故障率較高的結構件之一。

(2) 應力分布結果表明，銷軸部位是回轉中的應力集中位置，最大應力值達到了185.34 MPa，對應的安全系數只有1.27，不滿足機械工程中的安全標準。

(3) 以回轉平臺四根銷軸為優化對象，以結構件的最大力值為優化目標開展優化改進工作，在工況條件相同的情況下，優化后回轉平臺的最大應力降低到了155.63 MPa，達到了機械工程安全標準。

(4) 將優化后的回轉平臺結構應用到煤礦工程實踐中，取得了良好的安全效益和經濟效益。