关于EBZ160 型掘进机回转平台结构振动分析

韩 超

（山西煤炭运销集团小窑头煤业有限公司， 山西 大同 037037）

引言

煤矿作为一种重要的化石能源，对我国社会经济的发展起到了重要的作用。据相关资料统计，我国每年消耗的化石能源消耗中，煤矿所占的比例在65%左右。掘进机作为一种重要的煤矿开采设备，其可靠性对于煤矿的生产具有重要影响。因此研究掘进机关键部件的性能，对提升掘进机整机的可靠性具有重要意义。

回转台是连接截割部与主机架的重要部件，回转台相较于其他主要部件，所受的载荷工况较为复杂。因此，回转平台对于掘进机整机的性能影响较大，在疲劳载荷的作用下，容易产生结构性裂纹。裂纹不断扩展，从而导致整体结构失效，研究回转平台的固有频率，对避免结构产生共振具有积极意义。笔者以EBZ160 型掘进机回转平台为研究对象，分析了回转平台的前四阶固有频率[1]。

1 EBZ160 型掘进机

EBZ160 掘进机是一种性能优越、可靠性较好且结构紧凑的掘进机，被广泛应用于煤矿企业中。据相关资料统计，我国煤矿的开采中约60%左右都是需要掘进机开采完成，因此掘进机的性能对煤矿开采企业的经济效益具有重要影响，甚至决定了一个企业的生存与发展。

图1 所示为EBZ160 掘进机结构示意图，该型掘进机具有较多优点，结构紧凑、可靠性好。主要结构包括电气系统、液压支撑系统、截割机构系统、走行机构系统、转运系统等，其中截割系统是掘进机主要组成部分，包括电机、回转台、减速器、截割头等。回转台是机身与截割头连接的重要部件，承受载荷复杂，在实际使用中常出现故障，因此对于回转台结构强度的研究具有重要意义[2]。

图1 EBZ160 型掘进机的结构示意图

EBZ160 型掘进机可用于切割任意形状断面的煤层，适应性强，最大截割高度5.5 m，宽度为7 m，采用双电机驱动，结构设计抗压能力为不大于120 MPa，该型掘进机的主要技术参数见表1[3]。

表1 EBJ-150B 型掘进机相关技术指标

2 模态分析方法

模态分析是了解结构振动特性的一种重要研究方法，它主要研究系统物理、模态、数学模型等参数之间关系。根据结构的振动特性，可以将振动划分为非线性振动和线性振动，而非线性的问题可以简化为线性振动问题，笔者以EBZ160 型掘进机回转台为研究对象，采用经典线性振动系统理论来计算回转台模态，下面对线性振动计算方法做简要介绍。

线性振动计算方法是根据已知的物理参数为基础，利用有限元对振动结构进行离散，通过构建起系统模型的矩阵方程，并最终以近似法求解矩阵的特征值、特征向量，从而得到振动模型的固有频率和振型。模态分析中阻尼系数是一个比较难把握的参数，在模态分析中黏滞系数和阻尼系数都属于复杂模态系统，篇幅所限在此不再一一列举，一般黏滞阻尼系统的振动微分方程为[4]：

式中：M 为质量矩阵，C 为系统阻尼特征向量，K 为系统的矩阵刚度，自由振动的方程时取f（t）=0。

3 回转平台分析模型

3.1 有限元分析模型

首先基于Creo 软件建立EBZ160 掘进机回转平台结构三维模型，在建模过程中为了有限元分析计算的便利，简化模型中一些不影响应力分析的细小特征，比如孔、凹槽等，将创建好的三围模型以通用格式导入ANSYS 软件中进行分析，图2 所示为模型导入ANSYS 中模型显示结果。

图2 回转平台三维模型

EBZ160 型掘进机回转平台材料采用的是低合金钢，材质型号为ZG45CrMo，屈服强度为530 MPa，在ANSYS 中对模型材料参数进行设置，弹性模量为210 GPa，材料密度为7 910 kg/m3，泊松比为0.3。对导入ANSYS 设置好参数后，对其进行网格划分，为了保障后续的计算精确性，可对结构模型进行拆分，并对模型采用四面体自由网格划分，整体单元平均大小尺寸设置为40mm，ANSYS计算划分得到168910个单元。

3.2 回转台边界条件

根据回转台的受力分析，可以知道回转台所受载荷主要包括四个方面载荷：举升液压油缸对回转台支耳的作用力Ft；回转助推油缸对平台的推力，即F1、F2；悬臂机构对回转平台的作用力Fa；回转平台自身所受的倾覆力矩Q 以及油缸对其的支撑反力Fm。机架相对于回转台，可视为固定的，具有足够的强度与刚度，因此将回转台下支座位置施加全约束。

在模型分析时，需对平台所受载荷进行近似化处理，由于回转台所受载荷基本是支耳与销轴连接传递的载荷，且在支耳与销轴之间设置接触耦合关系，解决了销轴与支耳之间非线性接触载荷传递问题。可对支耳所受载荷进行简化处理，作用在支耳上的力可以通过一定的公式进行转换，这样即实现了分析过程由线性变为非线性接触分析，转换公式为[5]：

式中：T 为作用于支耳上的合力；A 表示支耳与回转平台接触面积；P 为接触压力。

已知掘进机在工作时，如图3 所示其截割头的位置可由α 和β 两个角度来表示，笔者根据对掘进机的受力情况分析，选择一种较为极端的工况。工况位置为截割部位于工作状态的最高位置，α=45°、β=0°，由于文章篇幅所限，不再对工况载荷的计算一一列举[6]。

图3 掘进机的截割工作面工况示意图

4 回转平台模态分析

当截割头处于最高位置时，即α=45、β=0 时，计算得到前四阶模态，由于篇幅有限在此不再对所有的振型做一一例举。回转台一阶模态计算固有频率为170.1 Hz，回转台振型如图4 所示，回转台左右两侧外伸臂上下交错摆动。第二、三阶模态固有频率分别为387 Hz、582.4 Hz，第四阶固有频率为644 Hz，振型如下页图5 所示。回转台前后外伸臂左右摆动增大，平台主体呈现扭曲形状。

图4 回转台1 阶振型

图5 回转台4 阶振型

分析计算得到了回转台的前四阶固有频率以及振型，根据回转台在实际使用中的振动情况，前两阶固有频率对回转台的危害较大，容易引发结构的共振，因此在实际使用中或是结构设计时应尽量避免结构的共振发生。

5 结论

根据EBZ160 型掘进机工程图，建立回转台的三维模型，对回转台的前四阶模态进行了分析，分析得到回转台的前四阶固有频率。第一、第二、第三、第四阶固有频率分别为171 Hz、387 Hz、582.4 Hz、644 Hz，由于篇幅所限只列出了第一、第四阶模态的振型图。根据回转台实际受振频率的影响，应特别注意第一、第二阶固有频率可能引起的共振对结构造成损伤。对回转台的模态分析研究，可为掘进机模态分析提供参考，对提高掘进机性能具有重要意义。