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(wěn)定性會對煤炭開采效率有非常重要的影響。回轉(zhuǎn)平臺是掘進機中的重要結構件，主要作用是實現(xiàn)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(chǎn)生的作用力都要通過回轉(zhuǎn)平臺傳遞到機體中，因此回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)平臺承受的是周期性載荷，容易產(chǎn)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(zhuǎn)平臺的疲勞壽命進行分析，并在此基礎上對其結構進行優(yōu)化改進，對提升回轉(zhuǎn)平臺結構的運行穩(wěn)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(jù)該型號掘進機回轉(zhuǎn)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(wǎng)格劃分和材料設置等操作。網(wǎng)格劃分質(zhì)量會對計算過程和計算精度產(chǎn)生直接影響，軟件提供多種類型的網(wǎng)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(wǎng)格類型。網(wǎng)格尺寸方面由軟件根據(jù)整體模型尺寸自動化確定，劃分得到的網(wǎng)格單元數(shù)量為13324 個?；剞D(zhuǎn)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(jù)以上參數(shù)設置模型材料屬性。由于需要研究回轉(zhuǎn)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(huán)次數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)域，疲勞壽命最短的只有35468 次。出現(xiàn)這種情況的根本原因在于回轉(zhuǎn)平臺銷軸部位容易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，過大的應力值導致對應區(qū)域的壽命較低。

3.2 問題分析

回轉(zhuǎn)平臺4 根銷軸部位出現(xiàn)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(xiàn)截割部的運動控制。截割部截割煤巖時產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)平臺載荷循環(huán)周期為1.5 h，則可以計算得到回轉(zhuǎn)平臺的使用壽命大約為8.87 a。可以看出，回轉(zhuǎn)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(yōu)化改進，以提升其整體的使用壽命。

4 回轉(zhuǎn)平臺的優(yōu)化改進研究

4.1 優(yōu)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(zhuǎn)平臺結構做過大的改動，只能進行小范圍調(diào)整。通過分析研究，決定重點對4 根銷軸的規(guī)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(yōu)化對象取值范圍。

圖3 優(yōu)化對象的取值范圍Fig.3 Value range of optimization object

優(yōu)化改進工作以提升回轉(zhuǎn)平臺的使用壽命為目標。優(yōu)化思路是在優(yōu)化對象的取值范圍內(nèi)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(shù)組合時回轉(zhuǎn)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(yōu)結果。

4.2 優(yōu)化改進結果分析

根據(jù)所述的優(yōu)化改進思路確定了最優(yōu)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(guī)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(guī)格尺寸增加后，回轉(zhuǎn)平臺的整體性能有所提升，對應的疲勞壽命由優(yōu)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(zhuǎn)平臺的使用壽命可以達到10.314 a。

圖4 回轉(zhuǎn)平臺優(yōu)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(jù)以上研究的優(yōu)化改進方案，對EBZ300 縱軸懸臂式掘進機的回轉(zhuǎn)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(guī)格尺寸進行了小幅度調(diào)整，因此在實踐應用過程中整體運行穩(wěn)定。目前優(yōu)化后的回轉(zhuǎn)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(xiàn)明顯的故障問題，驗證了優(yōu)化改進方案的正確性。通過優(yōu)化改進使回轉(zhuǎn)平臺結構的使用壽命提升了16.32%，為掘進機整體的運行穩(wěn)定性和可靠性奠定了堅實的基礎，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

5 結語

以馬蘭礦EBZ300 型掘進機回轉(zhuǎn)平臺為研究對象，利用Ansys 軟件對回轉(zhuǎn)平臺的疲勞壽命進行分析，并對結構進行優(yōu)化改進?；剞D(zhuǎn)平臺不同位置的疲勞壽命呈現(xiàn)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(xiàn)應力集中現(xiàn)象，較高的應力縮短了疲勞壽命。通過對回轉(zhuǎn)平臺4 根銷軸進行優(yōu)化改進，使得銷軸的規(guī)格尺寸有所提升，回轉(zhuǎn)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(yōu)化后的回轉(zhuǎn)平臺部署到EBZ300 掘進機工程實踐中，經(jīng)現(xiàn)場應用后發(fā)現(xiàn)整體性能良好，創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟效益。