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(guān)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(shè)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(shè)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(guān)鍵部件，所承受的載荷情況復(fù)雜，容易產(chǎn)生疲勞破壞，因此研究回轉(zhuǎn)平臺的結(jié)構(gòu)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(jié)果提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。

1 EBJ-150B型掘進機

EBJ-150B型掘進機是一種結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好并被廣泛使用的掘進機。其可應(yīng)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(xué)習(xí)、可靠性高等優(yōu)點。EBJ-150B型掘進機整機結(jié)構(gòu)主要包括截割機構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、走行機構(gòu)和裝運系統(tǒng)等。其中截割機構(gòu)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(fù)雜[3]。

圖1 EBJ-150B型掘進機截割機構(gòu)

EBJ-150B型掘進機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示[4]。

表1 EBJ-150B型掘進機主要技術(shù)參數(shù)

2 回轉(zhuǎn)平臺模型建立

2.1 模型參數(shù)設(shè)置

基于EBJ-150B型掘進機回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)入模型設(shè)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(jié)構(gòu)模型進行拆分，并對模型采用四面體自由網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元類型為Solid45。整體單元平均大小尺寸設(shè)置為40 mm，雅克比誤差設(shè)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(shè)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(jié)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(yīng)力和位移計算結(jié)果。

3.1 工況1

分析得到的回轉(zhuǎn)平臺應(yīng)力和位移云圖如圖3所示。由圖3可知：回轉(zhuǎn)平臺最大應(yīng)力為305.47 MPa，最大應(yīng)力值小于回轉(zhuǎn)平臺材料屈服極限，結(jié)構(gòu)相對比較安全，最大應(yīng)力值位于回轉(zhuǎn)臺上端與截割臂連接的鉸耳處，應(yīng)特別留意此處的應(yīng)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(yīng)力和位移云圖

3.2 工況2

分析得到的回轉(zhuǎn)平臺應(yīng)力和位移云圖如圖4所示。由圖4可知：回轉(zhuǎn)平臺最大應(yīng)力值為423.04 MPa，該應(yīng)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(yīng)注意最大應(yīng)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(yīng)力和位移云圖

通過以上兩種工況的計算分析可知，當(dāng)截割頭位于最下端時，轉(zhuǎn)臺所受的載荷更大，應(yīng)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(jié)構(gòu)強度足夠，變形量較小，不足以造成結(jié)構(gòu)危害。但在兩種工況的分析中，最大應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵部位常出現(xiàn)疲勞裂紋，從而對整機結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最大承載能力，但是對結(jié)構(gòu)依然具有破壞性。因此根據(jù)實際使用與仿真分析的結(jié)果對回轉(zhuǎn)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出兩點建議：

(1)可采用性能更優(yōu)的材料，在結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)計除了強度校核外，應(yīng)避免焊縫導(dǎo)致的應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)域容易萌生裂紋，對結(jié)構(gòu)整體性能具有重要影響。

5 結(jié)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(guān)鍵部件，連接著截割部與主機架，同時承受著復(fù)雜的載荷。因此對于回轉(zhuǎn)架的結(jié)構(gòu)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(yīng)力和位移分布情況，分析結(jié)果均顯示最大應(yīng)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(jié)果與實際使用經(jīng)驗，提出了兩條回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議，結(jié)構(gòu)的仿真分析對提升回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)強度具有重要參考意義。