田 震，賀 星，劉 偉，高 珊，苗長(zhǎng)偉

(周口師范學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，河南 周口 466001)

煤炭在我國(guó)一次性能源消耗中占有極大比重，對(duì)保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展具有重要作用[1-2]。因此，發(fā)展可靠高效的煤礦巷道掘進(jìn)機(jī)械對(duì)于煤炭開(kāi)采行業(yè)至關(guān)重要?？v軸式掘進(jìn)機(jī)是一種集煤巖截割、運(yùn)輸、履帶行走以及噴霧降塵等功能的聯(lián)合機(jī)組，被廣泛應(yīng)用在掘進(jìn)公路隧道、煤礦巷道等工程當(dāng)中[3-4]。在實(shí)際生產(chǎn)中，縱軸式掘進(jìn)機(jī)工作條件極端復(fù)雜，機(jī)器運(yùn)行時(shí)各部分的載荷變化很大，尤其是掘進(jìn)機(jī)的履帶行走機(jī)構(gòu)、煤巖截割機(jī)構(gòu)、掃煤回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、裝送傳輸機(jī)構(gòu)等，都可能因?yàn)榫蜻M(jìn)作業(yè)時(shí)負(fù)載的變化而出現(xiàn)機(jī)械故障，從而影響掘進(jìn)機(jī)的整體安全穩(wěn)定性。

為研究縱軸式掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中回轉(zhuǎn)臺(tái)的受力特性，以EBZ 220掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，利用PRO/E軟件建立回轉(zhuǎn)臺(tái)的三維模型并將其導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分；通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的受力進(jìn)行分析，對(duì)模型施加邊界條件進(jìn)行靜力學(xué)分析。仿真得到了回轉(zhuǎn)臺(tái)在不同工況條件下的應(yīng)力應(yīng)變分布，通過(guò)仿真結(jié)果可對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的工作可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 回轉(zhuǎn)臺(tái)受力分析

掘進(jìn)機(jī)工作運(yùn)行時(shí)，回轉(zhuǎn)臺(tái)主要承受以下載荷作用[5-7]：掘進(jìn)時(shí)的行走驅(qū)動(dòng)力Fa、截割部升降油缸推力Fb、截割部回轉(zhuǎn)油缸推力Fc、截割部自身質(zhì)量產(chǎn)生的彎矩M0。

截割部在破碎煤巖的過(guò)程中，水平截割時(shí)工況更為惡劣，當(dāng)截割部處于水平位置時(shí)，回轉(zhuǎn)臺(tái)受載情況如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)承受載荷圖

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)處于水平截割時(shí)，其受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。在初始狀態(tài)時(shí)，如圖2(a)所示，截割頭處于KJ線上，未發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；圖2(b)是掘進(jìn)機(jī)向左截割時(shí)受力狀態(tài)，此時(shí)回轉(zhuǎn)臺(tái)向左轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度α°。用F1表示沿右側(cè)BD方向回轉(zhuǎn)油缸所受到的推力，L1表示對(duì)應(yīng)的力臂；F2表示沿左側(cè)AC方向回轉(zhuǎn)油缸受到的拉力，L2表示對(duì)應(yīng)的力臂。回轉(zhuǎn)油缸對(duì)于回轉(zhuǎn)臺(tái)的綜合力矩可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(a)初始狀態(tài)

T1=F1×L1+F2×L2=F1×(L1+0.75L2)

(1)

掘進(jìn)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，回轉(zhuǎn)臺(tái)受到來(lái)自不同方向的變化截割阻力。若讓掘進(jìn)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，就必須保證回轉(zhuǎn)臺(tái)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)處于穩(wěn)定的水平狀態(tài)?；剞D(zhuǎn)臺(tái)在運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度緩慢，在瞬時(shí)情況下可以把回轉(zhuǎn)臺(tái)看作平衡狀態(tài)，所以承受的力矩也認(rèn)為是平衡的，即液壓缸和截割阻力作用于回轉(zhuǎn)臺(tái)的力矩大小相等，如式：

T0=Fx·Lok·cosθ

(2)

式中θ是截割部的升高角度。假設(shè)截割部的阻力是確定值，當(dāng)θ=0°時(shí)，截割部的阻力矩?cái)?shù)值最大且與油缸的作用力矩大小相等，由公式(1)可知，此時(shí)只需計(jì)算出L1+0.75L2的最小值即可。

2 回轉(zhuǎn)臺(tái)網(wǎng)格劃分

通過(guò)Pro/E 5.0完成對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的三維建模后以Parasolid格式將模型導(dǎo)出，并以*.x_t后綴命名文件。在ANSYS Workbench軟件中選擇“Static Structural”項(xiàng)目，在Geometry中完成對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)模型的選取。在靜力學(xué)分析模塊“Static Structural”中導(dǎo)入回轉(zhuǎn)臺(tái)三維模型，如圖3所示。

圖3 回轉(zhuǎn)臺(tái)模型導(dǎo)入

在“Static Structural”界面下，選擇“Engineering Data”進(jìn)入材料庫(kù)，在最后一項(xiàng)中添加所需材料，分別點(diǎn)擊左側(cè)工具欄選擇彈性模量、泊松比和材料密度等，然后加入具體參數(shù)值，其中EBZ 220掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)使用的材料為ZG270-500，該材料彈性模量為2.13×105MPa，材料密度為7.89×103kg/m3，泊松比0.28，屈服極限是270 MPa。在靜力學(xué)分析模塊窗口區(qū)對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后的回轉(zhuǎn)臺(tái)模型如圖4所示。

圖4 回轉(zhuǎn)臺(tái)網(wǎng)格劃分

3 回轉(zhuǎn)臺(tái)有限元分析

根據(jù)回轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況，添加約束條件[8-9]，如圖5所示。根據(jù)實(shí)際要輸出的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果，添加對(duì)應(yīng)的求解選項(xiàng)，即可求解得到回轉(zhuǎn)臺(tái)在不同工況下的位移云圖和應(yīng)力云圖。

圖5 有限元模型載荷約束圖

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割部在最低位置自左到右沿煤巖層理方向截割至中位時(shí)，設(shè)定此時(shí)為工況1，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行靜力學(xué)分析后得到回轉(zhuǎn)臺(tái)的位移云圖和應(yīng)力云圖，如圖6、圖7所示。由圖可見(jiàn)，回轉(zhuǎn)臺(tái)在工況1中受到的最大應(yīng)力為164.94 MPa，小于EBZ 220掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)的許用應(yīng)力270 MPa，在工況1條件下能夠滿足運(yùn)行強(qiáng)度要求。回轉(zhuǎn)臺(tái)最大位移為0.327 mm，應(yīng)力應(yīng)變的最大區(qū)域均在左右臂支撐耳架鉸接的拐角處。由應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D結(jié)合實(shí)際工況可以得出，當(dāng)回轉(zhuǎn)臺(tái)在中線最低點(diǎn)掃煤時(shí)，回轉(zhuǎn)油缸處于收縮狀態(tài)，只承擔(dān)了一部分支承力。此時(shí)，回轉(zhuǎn)臺(tái)左右鉸接耳架對(duì)于截割部有固定和約束作用，同時(shí)承受著來(lái)自截割頭的較大截割阻力，因此該區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變較為集中。

圖6 工況1時(shí)回轉(zhuǎn)臺(tái)位移云圖

圖7 工況1時(shí)回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力云圖

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割部在水平位置自左到右沿煤巖層理方向截割至中位時(shí), 設(shè)定此時(shí)為工況2，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和位移云圖，如圖8、圖9所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)回轉(zhuǎn)臺(tái)處于工況2時(shí)，受到的最大應(yīng)力為176 MPa，回轉(zhuǎn)臺(tái)能夠滿足運(yùn)行強(qiáng)度要求。應(yīng)力主要集中在回轉(zhuǎn)臺(tái)主鉸耳鉸接處靠近回轉(zhuǎn)中心的位置。在此時(shí)最大位移為1.182 6 mm，位移變化最大的地方是在與升降油缸相鉸接的耳架處，尤其以左側(cè)耳架變形最大。

圖8 工況2時(shí)回轉(zhuǎn)臺(tái)位移云圖

圖9 工況2時(shí)回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力云圖

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割部在最高位置自左到右沿煤巖層理方向截割至中位時(shí), 設(shè)定此時(shí)為工況3，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和位移云圖，如圖10、圖11所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)回轉(zhuǎn)臺(tái)處于工況3時(shí)，受到的最大應(yīng)力為204.13 MPa，小于EBZ 220掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)的許用應(yīng)力270 MPa，在工況3條件下能夠滿足運(yùn)行強(qiáng)度要求。在此時(shí)最大位移為1.499 mm。

圖10 工況3時(shí)回轉(zhuǎn)臺(tái)位移云圖

圖11 工況3時(shí)回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力云圖

掘進(jìn)機(jī)沿著煤巖層理方向不斷橫向往復(fù)截割，并且高度逐漸上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)掘進(jìn)機(jī)截割部工作最高點(diǎn)，即升降油缸處于伸長(zhǎng)最大量程時(shí)候，升降耳架承重增加，極易出現(xiàn)變形位移。此時(shí)掘進(jìn)機(jī)自左到右運(yùn)行，所以位移最大點(diǎn)出現(xiàn)在右側(cè)升降耳架外側(cè)鉸接圓環(huán)處；應(yīng)力集中點(diǎn)主要在主鉸接耳架與鉸接軸相接的回轉(zhuǎn)承接點(diǎn)附近。

4 結(jié)論

利用PRO/E軟件建立了回轉(zhuǎn)臺(tái)的三維模型并將其導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分；通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)的受力進(jìn)行分析，對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)模型施加邊界條件。通過(guò)分析回轉(zhuǎn)臺(tái)在三種工況條件下的應(yīng)力應(yīng)變分布發(fā)現(xiàn)截割部在最高位置自左到右沿煤巖層理方向截割至中位時(shí)，回轉(zhuǎn)臺(tái)的受力和變形最大，其中最大應(yīng)力為204.13 MPa、最大位移為1.499 mm。研究結(jié)果表明三種工況條件下回轉(zhuǎn)臺(tái)受力均小于其許用應(yīng)力，該型掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)在工作過(guò)程中具有較高的可靠性。