掘进机回转台结构分析与优化改进研究

吴成亮

（晋能集团昊兴塬煤业有限公司，山西 临汾 041200）

引言

EBZ220SZD800/11G 型悬臂式掘进机具有稳定性好、操作过程简便、工作可靠性高、截齿损耗率低、适于高硬度切割等优点，在我国煤矿巷道掘进领域应用较为广泛[1-3]。回转机构作为掘进机的组成部分，是截割机构实现上下左右运动的重要支撑，回转机构由回转台、底座等结构件组成，对回转台工作可靠性要求较高[4]。回转台服役条件较为苛刻，采用静态、经验等传统设计方法开展设计工作，结果准确性较差，而现代仿真技术的应用，能够大大提高了结构件的设计效率，保证结构件的性能满足工作环境的要求[5-6]。因此采用有限元仿真方法对掘进机回转台结构进行分析，找出强度薄弱环节，对其进行优化改进具有重要的意义。

1 掘进机回转台的功能及问题

回转台是悬臂式掘进机回转机构中的关键结构件，同时连接掘进机机架以及掘进臂，支撑着掘进臂实现回转、摆动、升降等各种姿态的变化，保证截割机构能够实现对煤岩的钻孔掏槽、扫落等功能，其工作可靠性对掘进机实现掘进功能具有不可替代的作用，必须引起高度重视。但是煤炭掘进工作面的环境较为恶劣，回转台工作过程中不仅受到腐蚀气体、潮湿等侵蚀，在截割机构进行割煤岩时，由于煤岩地质条件的变化导致回转台还要承受极其复杂的冲击振动载荷，最大振幅下回转台的强度及变形是设计工作中必须考虑的问题。结合工作经验发现掘煤过程中掘进机回转台常见的故障是绞耳位置撕裂。

2 回转台仿真分析

2.1 模型的建立

根据EBZ220SZD800/11G 型悬臂式掘进机回转台的工程图纸，运用Pro/E5.0 三维绘图软件完成了回转台模型的建立，其中为了保证后续有限元仿真分析的准确性，提高仿真计算的效率，对回转台的模型进行了简化，忽略了对分析结果影响较小的倒角、螺栓孔等。另存为.igs 格式文件之后导入ANSYS 仿真分析软件进行材料属性的设置，其材料牌号为Q345，其弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.27，抗拉强度为470 MPa，屈服强度为345 MPa，密度为7.85×103kg/m3。完成回转台模型材料属性的设置之后，对其进行网格的划分，选择C3D8R 四面体类型单元，为了更好地观察回转台耳架在工作过程中的应力、应变分布情况，划分网格时整体的单元格边长为4 mm，对耳架位置进行网格局部细化，单元格边长为1 mm，划分网格之后的回转台模型如图1 所示。

图1 回转台模型网格划分

2.2 工况分析与载荷设置

悬臂式掘进机工作过程中，主要通过旋转的截割头按照设计的运动轨迹完成煤岩的掘进，运动轨迹通常为由下到上同时左右摆动。掘进机具体工作流程如下：截割头首先对煤岩进行定位截割，之后沿设计轨迹截割煤岩，直到断面达到巷道端面要求即完成掘进过程的一个循环；之后前移掘进机进入下一循环，由此可见掘进机工作过程中以左右横摆和上下升降工况为主。结合煤矿中煤岩的地质条件，计算得到掘进机左右横摆过程中的最大载荷约为35 t，上下升降过程中的最大载荷约为40 t，基于此完成回转台仿真工作载荷的设置。

2.3 仿真结果

检测回转台模型的材料属性、网格划分、约束与载荷等前期处理工作全部完成之后启动ANSYS 仿真软件自带求解器进行仿真计算，之后提取回转台的应力云图和应变云图进行分析。由于回转台工作过程中交替承受左右回摆载荷与上下升降载荷，因此分别完成了回转台的应力、应变分析，仿真结果如图2、图3、图4、图5 所示。

由图2 可以看出回转台最大应力值为251 MPa，其位置出现在侧面耳架的连接孔位置，说明回转台的左右回摆载荷主要由侧面耳架承受，但其最大应力值远远小于材料的屈服强度σs=345 MPa，工作过程中不会出现破坏失效事故。由图3 可以看出回转台最大应力值为293 MPa，其位置出现在回转台升降绞耳位置，说明回转台上下升降载荷主要由升降绞耳承受，其最大应力值小于材料的屈服强度σs=345 MPa，但与材料的屈服强度较为接近，因此该位置是回转台工作过程中极易出现破坏的薄弱环节。

图2 回摆载荷回转台等效应力（Pa）云图

图3 升降载荷回转台等效应力（Pa）云图

图4 回摆载荷回转台等效应变（m）云图

图5 升降载荷回转台等效应变（m）云图

由图4 可以看出回转台最大应变值为0.127 mm，其出现在回转台升降绞耳位置，除此之外，侧面耳架、回转绞耳、中心孔位置均存在一定程度的应变。由图5 可以看出回转台最大应变值为0.298 mm，其出现在回转台升降绞耳位置，除此之外，回转绞耳、中心孔位置均存在一定程度的应变。由此可见，只要回转台承受载荷，其最大应变值就会出现在升降绞耳位置。

3 回转台优化改进

回转台工作的可靠性直接关系着整个掘进机的工作效率及安全，必须根据实际工作情况对回转台的薄弱环节进行改进，以提高回转台的整体强度，降低工作过程中的变形量，保证回转台可靠工作。结合笔者多年的工作经验，优化回转台结构的措施包括：第一是在不影响回转台工作性能的前提下，增加升降绞耳的厚度；第二是在升降绞耳的侧面增加三角筋板；第三是增大升降绞耳与过渡圆弧的圆角半径，降低应力集中；第四是增加升降绞耳根本的圆角半径，降低应力集中。其中考虑改进工作的可操作性，此处改进优化工作选择增加升降绞耳的厚度的方法。

当前回转台升降绞耳的厚度值为15 mm，为了更好地观察升降绞耳厚度对回转台最大应力、最大应变的影响，设计以下5 组升降绞耳厚度值进行优化计算，分别为18 mm、22 mm、25 mm、28 mm、30 mm。修改回转台仿真计算模型中升降绞耳的厚度值，之后在相同工作载荷作用下完成改进回转台的应力、应变的分析计算，观察统计回转台升降绞耳位置的应力应变数值，如下页表1 所示。随着升降绞耳厚度的增大，回转台承受摆动载荷时的最大应力基本未变，维持在250 MPa 左右，回转台承受升降载荷时的最大等效应力越来越小，说明升降绞耳厚度的增加可以有效降低回转台工作过程中的最大应力值，提高回转台的工作安全性和可靠性；随着升降绞耳厚度的增大，回转台承受摆动载荷时的最大应变逐渐减小，当升降绞耳厚度达到30 mm 时最大应变值接近0 mm，回转台承受升降载荷时的最大应变变化趋势与其一致。综合考虑回转台的最大应力以及结构增重情况，优化后的升降绞耳厚度选择28 mm。

表1 回转台升降绞耳位置的应力、应变统计

4 应用效果

通过在原有升降绞耳外侧焊接厚度13 mm 的钢板，完成升降绞耳厚度的改进优化。改进优化之后的回转台应用于掘进机，跟踪记录掘进机工作期间，回转台工作可靠，未出现升降绞耳撕裂的故障，由此可见，回转台的改进效果显著，大大提高了回转台的工作安全性和可靠性，保证了掘进机的正常工作运行，为企业创造了更多的经济效益。

5 结论

通过对EBZ220SZD800/11G 型悬臂式掘进机回转台进行有限元分析发现在升降载荷作用下回转台的升降绞耳位置存在应力集中，接近材料的屈服强度，导致升降绞耳容易出现撕裂故障。分析得到随着升降绞耳厚度的增加，回转台应力集中得到改善，变形应变减小，确定了升降绞耳的最佳厚度为28 mm。实践结果表明回转台升降绞耳的优化改进取得了较为显著的效果，提高了其工作的可靠性。