EBJ-150B型掘进机回转平台结构强度分析与优化

宋若杰

(山西晋煤集团 沁水胡底煤业有限公司,山西 晋城 048000)

0 引言

煤矿在我国的社会经济发展中扮演着重要的角色，据相关资料统计，我国化石能源消耗中，煤矿所占的比例接近67%，虽然随着国家节能减排战略的实施，经济发展对煤矿的依赖程度有所降低，但是仍然需求量巨大。作为煤矿开采中的核心设备，掘进机对保障煤矿快速开采具有重要意义[1]。

掘进机是一个综合性的设备平台，主要由截割头、悬臂段、减速机、行走部、各种电机、液压元器件等组成，回转平台作为连接截割部与主机架的关键部件，所承受的载荷情况复杂，容易产生疲劳破坏，因此研究回转平台的结构强度对于掘进机整机可靠性的提高具有积极意义。本文基于Pro/E软件建立EBJ-150B型掘进机回转平台的三维模型，根据掘进机的典型工况利用ABAQUS对其进行强度分析[2]，并根据分析结果提出结构优化建议。

1 EBJ-150B型掘进机

EBJ-150B型掘进机是一种结构紧凑、可靠性好并被广泛使用的掘进机。其可应用于任何一种形状断面的煤层，也适用于一体式巷道综合煤矿开采，最大切割高度为5.30 m，最大切割宽度达6.85 m，采用了液压与电力双驱动模式，具有操作简单、易于学习、可靠性高等优点。EBJ-150B型掘进机整机结构主要包括截割机构、电气系统、液压系统、走行机构和装运系统等。其中截割机构主要包括电机、减速器、液压油缸、回转台和切割头等部件，如图1所示。回转台是连接切割头与主机架的部件，承受载荷较为复杂[3]。

图1 EBJ-150B型掘进机截割机构

EBJ-150B型掘进机的主要技术参数如表1所示[4]。

表1 EBJ-150B型掘进机主要技术参数

2 回转平台模型建立

2.1 模型参数设置

基于EBJ-150B型掘进机回转平台结构工程图，建立回转平台的三维模型，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，如孔、凹槽等。在Pro/E中建立的回转平台三维模型如图2所示，将其以通用文件格式导入ABAQUS中[5]。

图2 回转平台三维模型

EBJ-150B型掘进机回转平台材料为ZG35CrMo，其屈服强度在510 MPa以上，强度极限取值范围一般为750 MPa～880 MPa，弹性模量为210 GPa，密度为7 910 kg/m3，泊松比为0.3。

对导入模型设置好参数后，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，设置单元类型为Solid45。整体单元平均大小尺寸设置为40 mm，雅克比误差设定为3 mm，一共得到195 275个节点、17 827个单元。

2.2 载荷与边界条件

根据掘进机的工作状态对回转台的影响来划分工况，掘进机工作时，一般包括纵向钻进截割和工作面摆动截割，主要运动包括切割头的旋转与切割臂的摆动。回转台所受的载荷主要是截割部的重量以及工作时的动载荷，根据摆臂的位置，分两个较为典型的工况进行分析，即以截割臂处于最上端(工况1)和最下端(工况2)的两种工况进行分析[6]。

回转油缸对回转平台的作用以约束代替，同时将回转平台的回转销轴接触圆面的轴向与径向位移值设定为零。两种工况所受载荷如表2所示，载荷作用位置为回转台下侧两个铰接孔和截割臂对回转台作用的上侧两个铰接孔。

表2 两种工况所受载荷

3 分析结果

根据上述两种典型工况的载荷与边界条件，求解得到回转台在两种工况下的应力和位移计算结果。

3.1 工况1

分析得到的回转平台应力和位移云图如图3所示。由图3可知：回转平台最大应力为305.47 MPa，最大应力值小于回转平台材料屈服极限，结构相对比较安全，最大应力值位于回转台上端与截割臂连接的铰耳处，应特别留意此处的应力值；最大位移为3.022 mm，位于支撑液压油缸与回转台的连接处。

图3 工况1回转平台应力和位移云图

3.2 工况2

分析得到的回转平台应力和位移云图如图4所示。由图4可知：回转平台最大应力值为423.04 MPa，该应力值已经比较接近材料的屈服极限，在后期的使用与维护中应注意最大应力值点，即铰接孔；最大位移为3.712 mm，位于下侧液压油缸与回转平台连接的铰耳处。

图4 工况2回转平台应力和位移云图

通过以上两种工况的计算分析可知，当截割头位于最下端时，转台所受的载荷更大，应力与变形值相对更大，但都未超过材料的屈服极限，因此整体结构强度足够，变形量较小，不足以造成结构危害。但在两种工况的分析中，最大应力与最大位移均出现在铰耳位置，因此需要针对性加强。

4 回转平台结构优化建议

回转平台作为连接前截割臂与主机架的重要部件，其结构性能对掘进机整机性能具有重要的影响。根据既往实际使用情况，回转平台关键部位常出现疲劳裂纹，从而对整机结构造成影响。疲劳裂纹通常在动载荷的冲击下形成，该动载荷不超过结构最大承载能力，但是对结构依然具有破坏性。因此根据实际使用与仿真分析的结果对回转平台的结构设计提出两点建议：

(1)可采用性能更优的材料，在结构设计时尤其注意对上、下连接铰耳的强度进行校核，保证在连接铰耳处有足够的安全裕量。

(2)结构的设计除了强度校核外，应避免焊缝导致的应力集中，结构的应力集中区域容易萌生裂纹，对结构整体性能具有重要影响。

5 结语

掘进机对于煤矿的开采具有重要作用，因此研究提高掘进机的性能、可靠性具有重要意义。回转平台是掘进机关键部件，连接着截割部与主机架，同时承受着复杂的载荷。因此对于回转架的结构研究，可有效提高掘进机的可靠性。

本文以EBJ-150B型掘进机回转平台为研究对象，计算了回转平台在摆臂处于最上端和最下端两种典型工况下的应力和位移分布情况，分析结果均显示最大应力和最大位移出现在回转台与液压缸连接的铰耳处。根据分析结果与实际使用经验，提出了两条回转平台结构优化建议，结构的仿真分析对提升回转平台结构强度具有重要参考意义。