宋若杰

(山西晉煤集團 沁水胡底煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048000)

0 引言

煤礦在我國的社會經(jīng)濟發(fā)展中扮演著重要的角色，據(jù)相關資料統(tǒng)計，我國化石能源消耗中，煤礦所占的比例接近67%，雖然隨著國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的實施，經(jīng)濟發(fā)展對煤礦的依賴程度有所降低，但是仍然需求量巨大。作為煤礦開采中的核心設備，掘進機對保障煤礦快速開采具有重要意義[1]。

掘進機是一個綜合性的設備平臺，主要由截割頭、懸臂段、減速機、行走部、各種電機、液壓元器件等組成，回轉(zhuǎn)平臺作為連接截割部與主機架的關鍵部件，所承受的載荷情況復雜，容易產(chǎn)生疲勞破壞，因此研究回轉(zhuǎn)平臺的結構強度對于掘進機整機可靠性的提高具有積極意義。本文基于Pro/E軟件建立EBJ-150B型掘進機回轉(zhuǎn)平臺的三維模型，根據(jù)掘進機的典型工況利用ABAQUS對其進行強度分析[2]，并根據(jù)分析結果提出結構優(yōu)化建議。

1 EBJ-150B型掘進機

EBJ-150B型掘進機是一種結構緊湊、可靠性好并被廣泛使用的掘進機。其可應用于任何一種形狀斷面的煤層，也適用于一體式巷道綜合煤礦開采，最大切割高度為5.30 m，最大切割寬度達6.85 m，采用了液壓與電力雙驅(qū)動模式，具有操作簡單、易于學習、可靠性高等優(yōu)點。EBJ-150B型掘進機整機結構主要包括截割機構、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、走行機構和裝運系統(tǒng)等。其中截割機構主要包括電機、減速器、液壓油缸、回轉(zhuǎn)臺和切割頭等部件，如圖1所示?；剞D(zhuǎn)臺是連接切割頭與主機架的部件，承受載荷較為復雜[3]。

圖1 EBJ-150B型掘進機截割機構

EBJ-150B型掘進機的主要技術參數(shù)如表1所示[4]。

表1 EBJ-150B型掘進機主要技術參數(shù)

2 回轉(zhuǎn)平臺模型建立

2.1 模型參數(shù)設置

基于EBJ-150B型掘進機回轉(zhuǎn)平臺結構工程圖，建立回轉(zhuǎn)平臺的三維模型，在建模過程中為了有限元分析計算的便利，簡化模型中一些不影響應力分析的細小特征，如孔、凹槽等。在Pro/E中建立的回轉(zhuǎn)平臺三維模型如圖2所示，將其以通用文件格式導入ABAQUS中[5]。

圖2 回轉(zhuǎn)平臺三維模型

EBJ-150B型掘進機回轉(zhuǎn)平臺材料為ZG35CrMo，其屈服強度在510 MPa以上，強度極限取值范圍一般為750 MPa～880 MPa，彈性模量為210 GPa，密度為7 910 kg/m3，泊松比為0.3。

對導入模型設置好參數(shù)后，對其進行網(wǎng)格劃分。為了保障后續(xù)的計算精確性，可對結構模型進行拆分，并對模型采用四面體自由網(wǎng)格劃分，設置單元類型為Solid45。整體單元平均大小尺寸設置為40 mm，雅克比誤差設定為3 mm，一共得到195 275個節(jié)點、17 827個單元。

2.2 載荷與邊界條件

根據(jù)掘進機的工作狀態(tài)對回轉(zhuǎn)臺的影響來劃分工況，掘進機工作時，一般包括縱向鉆進截割和工作面擺動截割，主要運動包括切割頭的旋轉(zhuǎn)與切割臂的擺動?；剞D(zhuǎn)臺所受的載荷主要是截割部的重量以及工作時的動載荷，根據(jù)擺臂的位置，分兩個較為典型的工況進行分析，即以截割臂處于最上端(工況1)和最下端(工況2)的兩種工況進行分析[6]。

回轉(zhuǎn)油缸對回轉(zhuǎn)平臺的作用以約束代替，同時將回轉(zhuǎn)平臺的回轉(zhuǎn)銷軸接觸圓面的軸向與徑向位移值設定為零。兩種工況所受載荷如表2所示，載荷作用位置為回轉(zhuǎn)臺下側(cè)兩個鉸接孔和截割臂對回轉(zhuǎn)臺作用的上側(cè)兩個鉸接孔。

表2 兩種工況所受載荷

3 分析結果

根據(jù)上述兩種典型工況的載荷與邊界條件，求解得到回轉(zhuǎn)臺在兩種工況下的應力和位移計算結果。

3.1 工況1

分析得到的回轉(zhuǎn)平臺應力和位移云圖如圖3所示。由圖3可知：回轉(zhuǎn)平臺最大應力為305.47 MPa，最大應力值小于回轉(zhuǎn)平臺材料屈服極限，結構相對比較安全，最大應力值位于回轉(zhuǎn)臺上端與截割臂連接的鉸耳處，應特別留意此處的應力值；最大位移為3.022 mm，位于支撐液壓油缸與回轉(zhuǎn)臺的連接處。

圖3 工況1回轉(zhuǎn)平臺應力和位移云圖

3.2 工況2

分析得到的回轉(zhuǎn)平臺應力和位移云圖如圖4所示。由圖4可知：回轉(zhuǎn)平臺最大應力值為423.04 MPa，該應力值已經(jīng)比較接近材料的屈服極限，在后期的使用與維護中應注意最大應力值點，即鉸接孔；最大位移為3.712 mm，位于下側(cè)液壓油缸與回轉(zhuǎn)平臺連接的鉸耳處。

圖4 工況2回轉(zhuǎn)平臺應力和位移云圖

通過以上兩種工況的計算分析可知，當截割頭位于最下端時，轉(zhuǎn)臺所受的載荷更大，應力與變形值相對更大，但都未超過材料的屈服極限，因此整體結構強度足夠，變形量較小，不足以造成結構危害。但在兩種工況的分析中，最大應力與最大位移均出現(xiàn)在鉸耳位置，因此需要針對性加強。

4 回轉(zhuǎn)平臺結構優(yōu)化建議

回轉(zhuǎn)平臺作為連接前截割臂與主機架的重要部件，其結構性能對掘進機整機性能具有重要的影響。根據(jù)既往實際使用情況，回轉(zhuǎn)平臺關鍵部位常出現(xiàn)疲勞裂紋，從而對整機結構造成影響。疲勞裂紋通常在動載荷的沖擊下形成，該動載荷不超過結構最大承載能力，但是對結構依然具有破壞性。因此根據(jù)實際使用與仿真分析的結果對回轉(zhuǎn)平臺的結構設計提出兩點建議：

(1)可采用性能更優(yōu)的材料，在結構設計時尤其注意對上、下連接鉸耳的強度進行校核，保證在連接鉸耳處有足夠的安全裕量。

(2)結構的設計除了強度校核外，應避免焊縫導致的應力集中，結構的應力集中區(qū)域容易萌生裂紋，對結構整體性能具有重要影響。

5 結語

掘進機對于煤礦的開采具有重要作用，因此研究提高掘進機的性能、可靠性具有重要意義?；剞D(zhuǎn)平臺是掘進機關鍵部件，連接著截割部與主機架，同時承受著復雜的載荷。因此對于回轉(zhuǎn)架的結構研究，可有效提高掘進機的可靠性。

本文以EBJ-150B型掘進機回轉(zhuǎn)平臺為研究對象，計算了回轉(zhuǎn)平臺在擺臂處于最上端和最下端兩種典型工況下的應力和位移分布情況，分析結果均顯示最大應力和最大位移出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)臺與液壓缸連接的鉸耳處。根據(jù)分析結果與實際使用經(jīng)驗，提出了兩條回轉(zhuǎn)平臺結構優(yōu)化建議，結構的仿真分析對提升回轉(zhuǎn)平臺結構強度具有重要參考意義。