韓 超

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)小窯頭煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037037）

引言

煤礦作為一種重要的化石能源，對我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了重要的作用。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國每年消耗的化石能源消耗中，煤礦所占的比例在65%左右。掘進(jìn)機(jī)作為一種重要的煤礦開采設(shè)備，其可靠性對于煤礦的生產(chǎn)具有重要影響。因此研究掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵部件的性能，對提升掘進(jìn)機(jī)整機(jī)的可靠性具有重要意義。

回轉(zhuǎn)臺是連接截割部與主機(jī)架的重要部件，回轉(zhuǎn)臺相較于其他主要部件，所受的載荷工況較為復(fù)雜。因此，回轉(zhuǎn)平臺對于掘進(jìn)機(jī)整機(jī)的性能影響較大，在疲勞載荷的作用下，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂紋。裂紋不斷擴(kuò)展，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)失效，研究回轉(zhuǎn)平臺的固有頻率，對避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振具有積極意義。筆者以EBZ160 型掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺為研究對象，分析了回轉(zhuǎn)平臺的前四階固有頻率[1]。

1 EBZ160 型掘進(jìn)機(jī)

EBZ160 掘進(jìn)機(jī)是一種性能優(yōu)越、可靠性較好且結(jié)構(gòu)緊湊的掘進(jìn)機(jī)，被廣泛應(yīng)用于煤礦企業(yè)中。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國煤礦的開采中約60%左右都是需要掘進(jìn)機(jī)開采完成，因此掘進(jìn)機(jī)的性能對煤礦開采企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要影響，甚至決定了一個(gè)企業(yè)的生存與發(fā)展。

圖1 所示為EBZ160 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，該型掘進(jìn)機(jī)具有較多優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好。主要結(jié)構(gòu)包括電氣系統(tǒng)、液壓支撐系統(tǒng)、截割機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、走行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)等，其中截割系統(tǒng)是掘進(jìn)機(jī)主要組成部分，包括電機(jī)、回轉(zhuǎn)臺、減速器、截割頭等?；剞D(zhuǎn)臺是機(jī)身與截割頭連接的重要部件，承受載荷復(fù)雜，在實(shí)際使用中常出現(xiàn)故障，因此對于回轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究具有重要意義[2]。

圖1 EBZ160 型掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

EBZ160 型掘進(jìn)機(jī)可用于切割任意形狀斷面的煤層，適應(yīng)性強(qiáng)，最大截割高度5.5 m，寬度為7 m，采用雙電機(jī)驅(qū)動，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗壓能力為不大于120 MPa，該型掘進(jìn)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1[3]。

表1 EBJ-150B 型掘進(jìn)機(jī)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

2 模態(tài)分析方法

模態(tài)分析是了解結(jié)構(gòu)振動特性的一種重要研究方法，它主要研究系統(tǒng)物理、模態(tài)、數(shù)學(xué)模型等參數(shù)之間關(guān)系。根據(jù)結(jié)構(gòu)的振動特性，可以將振動劃分為非線性振動和線性振動，而非線性的問題可以簡化為線性振動問題，筆者以EBZ160 型掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺為研究對象，采用經(jīng)典線性振動系統(tǒng)理論來計(jì)算回轉(zhuǎn)臺模態(tài)，下面對線性振動計(jì)算方法做簡要介紹。

線性振動計(jì)算方法是根據(jù)已知的物理參數(shù)為基礎(chǔ)，利用有限元對振動結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，通過構(gòu)建起系統(tǒng)模型的矩陣方程，并最終以近似法求解矩陣的特征值、特征向量，從而得到振動模型的固有頻率和振型。模態(tài)分析中阻尼系數(shù)是一個(gè)比較難把握的參數(shù)，在模態(tài)分析中黏滯系數(shù)和阻尼系數(shù)都屬于復(fù)雜模態(tài)系統(tǒng)，篇幅所限在此不再一一列舉，一般黏滯阻尼系統(tǒng)的振動微分方程為[4]：

式中：M 為質(zhì)量矩陣，C 為系統(tǒng)阻尼特征向量，K 為系統(tǒng)的矩陣剛度，自由振動的方程時(shí)取f（t）=0。

3 回轉(zhuǎn)平臺分析模型

3.1 有限元分析模型

首先基于Creo 軟件建立EBZ160 掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)三維模型，在建模過程中為了有限元分析計(jì)算的便利，簡化模型中一些不影響應(yīng)力分析的細(xì)小特征，比如孔、凹槽等，將創(chuàng)建好的三圍模型以通用格式導(dǎo)入ANSYS 軟件中進(jìn)行分析，圖2 所示為模型導(dǎo)入ANSYS 中模型顯示結(jié)果。

圖2 回轉(zhuǎn)平臺三維模型

EBZ160 型掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺材料采用的是低合金鋼，材質(zhì)型號為ZG45CrMo，屈服強(qiáng)度為530 MPa，在ANSYS 中對模型材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，彈性模量為210 GPa，材料密度為7 910 kg/m3，泊松比為0.3。對導(dǎo)入ANSYS 設(shè)置好參數(shù)后，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保障后續(xù)的計(jì)算精確性，可對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行拆分，并對模型采用四面體自由網(wǎng)格劃分，整體單元平均大小尺寸設(shè)置為40mm，ANSYS計(jì)算劃分得到168910個(gè)單元。

3.2 回轉(zhuǎn)臺邊界條件

根據(jù)回轉(zhuǎn)臺的受力分析，可以知道回轉(zhuǎn)臺所受載荷主要包括四個(gè)方面載荷：舉升液壓油缸對回轉(zhuǎn)臺支耳的作用力Ft；回轉(zhuǎn)助推油缸對平臺的推力，即F1、F2；懸臂機(jī)構(gòu)對回轉(zhuǎn)平臺的作用力Fa；回轉(zhuǎn)平臺自身所受的傾覆力矩Q 以及油缸對其的支撐反力Fm。機(jī)架相對于回轉(zhuǎn)臺，可視為固定的，具有足夠的強(qiáng)度與剛度，因此將回轉(zhuǎn)臺下支座位置施加全約束。

在模型分析時(shí)，需對平臺所受載荷進(jìn)行近似化處理，由于回轉(zhuǎn)臺所受載荷基本是支耳與銷軸連接傳遞的載荷，且在支耳與銷軸之間設(shè)置接觸耦合關(guān)系，解決了銷軸與支耳之間非線性接觸載荷傳遞問題?？蓪χФ茌d荷進(jìn)行簡化處理，作用在支耳上的力可以通過一定的公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣即實(shí)現(xiàn)了分析過程由線性變?yōu)榉蔷€性接觸分析，轉(zhuǎn)換公式為[5]：

式中：T 為作用于支耳上的合力；A 表示支耳與回轉(zhuǎn)平臺接觸面積；P 為接觸壓力。

已知掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)，如圖3 所示其截割頭的位置可由α 和β 兩個(gè)角度來表示，筆者根據(jù)對掘進(jìn)機(jī)的受力情況分析，選擇一種較為極端的工況。工況位置為截割部位于工作狀態(tài)的最高位置，α=45°、β=0°，由于文章篇幅所限，不再對工況載荷的計(jì)算一一列舉[6]。

圖3 掘進(jìn)機(jī)的截割工作面工況示意圖

4 回轉(zhuǎn)平臺模態(tài)分析

當(dāng)截割頭處于最高位置時(shí)，即α=45、β=0 時(shí)，計(jì)算得到前四階模態(tài)，由于篇幅有限在此不再對所有的振型做一一例舉?；剞D(zhuǎn)臺一階模態(tài)計(jì)算固有頻率為170.1 Hz，回轉(zhuǎn)臺振型如圖4 所示，回轉(zhuǎn)臺左右兩側(cè)外伸臂上下交錯擺動。第二、三階模態(tài)固有頻率分別為387 Hz、582.4 Hz，第四階固有頻率為644 Hz，振型如下頁圖5 所示。回轉(zhuǎn)臺前后外伸臂左右擺動增大，平臺主體呈現(xiàn)扭曲形狀。

圖4 回轉(zhuǎn)臺1 階振型

圖5 回轉(zhuǎn)臺4 階振型

分析計(jì)算得到了回轉(zhuǎn)臺的前四階固有頻率以及振型，根據(jù)回轉(zhuǎn)臺在實(shí)際使用中的振動情況，前兩階固有頻率對回轉(zhuǎn)臺的危害較大，容易引發(fā)結(jié)構(gòu)的共振，因此在實(shí)際使用中或是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)的共振發(fā)生。

5 結(jié)論

根據(jù)EBZ160 型掘進(jìn)機(jī)工程圖，建立回轉(zhuǎn)臺的三維模型，對回轉(zhuǎn)臺的前四階模態(tài)進(jìn)行了分析，分析得到回轉(zhuǎn)臺的前四階固有頻率。第一、第二、第三、第四階固有頻率分別為171 Hz、387 Hz、582.4 Hz、644 Hz，由于篇幅所限只列出了第一、第四階模態(tài)的振型圖。根據(jù)回轉(zhuǎn)臺實(shí)際受振頻率的影響，應(yīng)特別注意第一、第二階固有頻率可能引起的共振對結(jié)構(gòu)造成損傷。對回轉(zhuǎn)臺的模態(tài)分析研究，可為掘進(jìn)機(jī)模態(tài)分析提供參考，對提高掘進(jìn)機(jī)性能具有重要意義。