EBZ300掘进机回转平台受力分析及结构优化*

曹国峰

(大同煤矿集团临汾宏大隆博煤业有限公司，山西 临汾 042101)

0 引 言

煤炭资源在我国整个能源结构体系中占据着非常关键和重要的位置，近年来煤炭开采效率越来越快[1]。掘进机是煤炭开采中重要的机械装备，为顺应时代发展，目前正朝着重型化和智能化方向发展[2]。煤矿开采环境相对较为恶劣，掘进机工作时需承受复杂的工作载荷。回转平台是掘进机中的关键承力结构件，因此对其性能要求越来越高[3]。工程实践中，回转平台是容易出现故障问题的结构件之一。如果回转平台出现故障问题，会导致掘进机设备无法正常工作，进而影响煤炭开采效率[4]。笔者基于Ansys软件对EBZ300掘进机回转平台的受力情况进行分析，在此基础上对其结构进行优化改进，在一定程度上提升了设备运行的稳定性和可靠性。

1 掘进机回转平台工作原理及问题

以煤矿中经常使用的EBZ300掘进机为对象开展研究工作，该设备工作时最大的截割功率以及能够截割的最大硬度分别为300 kW和120 MPa，由于具备较高的截割性能，特别适合在岩巷道中开展掘进工作[5]。图1所示为基于UG软件建立的简化后的EBZ300掘进机整体结构三维示意图，图中标注了回转平台结构的位置。另外，掘进机结构中还包括截割部和行走部等重要的机械结构。回转平台安装在底座中，可以在水平方向做旋转运动，同时通过销轴和液压油缸与截割部进行连接。在升降油缸和回转油缸的综合作用下，通过回转平台可以实现截割部的上下和左右移动，从而将截割头送到指定位置对煤壁进行截割。可以看出，截割头截割过程中承受的载荷需要通过回转平台传递到底座中，所以回转平台工作时会承受比较大的载荷，是容易出现故障问题的结构件之一。

图1 EBZ300掘进机的整体结构三维图 图2 掘进机回转平台的三维模型

2 回转平台受力分析

2.1 有限元模型建立

首先利用UG软件根据EBZ300掘进机回转平台的实际结构尺寸建立三维几何模型，建模中需要对一些细小结构，比如倒角、倒圆、小孔等进行忽略处理，这种简化不会对最终计算结果产生明显影响，但能显著加快模型计算时间[6]。图2所示为掘进机回转平台的三维模型。然后将三维模型导入的Ansys软件中进行材料设置、网格划分和边界条件设置等。网格划分时，在软件中选择四面体网格类型，利用软件自动设置网格单元大小，完成网格单元划分工作后，获得的单元数量和节点数量分别为13 242个和15 693个。回转平台的生产加工材料为Q235钢，查阅材料手册可知，材料的弹性模量和泊松比分别为2.12×1011Pa和0.3，密度大小为7 860 kg/m3，屈服强度为235 MPa，在软件中根据上述材料参数进行设置。根据回转平台实际工况，将边界条件设置在中心圆孔和四根销轴上。

2.2 受力结果分析

完成回转平台有限元模型的建立工作后，可以调取软件的分析模块对模型进行计算，最后提取计算结果进行分析，图3所示为掘进机回转平台的应力分布云图。从图中可以看出，回转平台承受的应力存在明显的不均匀性，不同位置承受的应力大小存在显著的差异，绝大部分位置的应力相对较小，完全在材料能够承受的范围以内，只有局部位置出现了应力集中现象。具体而言，应力集中的位置主要在四根销轴及附近区域。这与回转平台的实际工况比较吻合，因为四根销轴需要与截割部和液压油缸连接，承受较大的工作载荷。回转平台的最大应力值为185.34 MPa。

图3 回转平台受力结果

回转平台的加工材料为Q235钢，屈服强度大小为235 MPa。根据机械设计中的安全系数计算公式：

(1)

式中:n为安全系数；σb和σmax分别为材料的屈服强度和实际承受的最大应力值。

可以计算获得回转平台的安全系数为1.27。根据机械工程中的标准要求，机械结构件的安全系数应该在1.5以上才能保证其稳定可靠运行。基于计算结果可知回转平台的安全系数低于安全标准1.5。所以认为回转平台存在一定的安全隐患。是容易出现故障问题的重要原因之一。

3 回转平台结构优化改进

3.1 优化思路

基于上文分析结果可以看出，掘进机回转平台工作时四根销轴部位承受着较大的应力，且考虑到四根销轴承受的是周期性的循环载荷，会出现疲劳现象，从而加速销轴部位的损伤。所以需要对回转平台四根销轴的尺寸进行优化改进，以提升这些部位的承载能力，实现回转平台整体结构刚度和强度的提升。如图4所示为在开展优化改进工作时，回转平台四根销轴的关键结构尺寸取值情况，需要说明的是回转平台属于对称结构，因此上侧两根销轴和下侧两根销轴分别具有完全相同的结构尺寸。由图可知，上销轴直径和长度、下销轴直径和长度的原始值分别为140、204、125、150 mm，优化改进工作中的最小取值依次为135、194、120、140 mm，最大取值依次为145、214、130、160 mm。

图4 优化对象的取值情况

按照图中所示取值范围，基于正交实验方法，再次利用UG和Ansys软件构建回转平台的有限元模型，除上述结构参数以外，其他结构参数和属性设置完全相同。对不同模型的应力分析结果进行对比，取最小值为最优结果。

3.2 优化结果

如图5所示为优化前后回转平台销轴结构尺寸及最大应力值的对比情况。由图可知，通过对销轴结构的优化改进，使得回转平台的最大应力值由185.34 MPa降低到了155.63 MPa，降低幅度达到了16.03%。更重要的是，通过对销轴结构尺寸的优化改进，使得回转平台的安全系数提升到了1.51，达到了机械工程中结构件安全设计标准，意味着回转平台结构服役运行时的安全程度到显著提升。图中还显示了上销轴直径与长度、下销轴直径与长度的结果，分别为143.57、202.41、128.94、148.37 mm，与优化改进前相比较，销轴的直径尺寸有了一定程度的增大，长度尺寸有了一定程度的降低。

图5 优化前后销轴的最大应力及结构尺寸对比情况

3.3 应用效果

将优化后的回转平台结构部署到EBZ300掘进机工程实践中，对其实际运行效果进行连续测试，发现整体运行良好，能够满足掘进机的实际使用需要。图6所示为机械结构受力与疲劳寿命的关系曲线，可以看出，机械结构的应力越小，对应的疲劳寿命越长。

图6 机械结构受力与疲劳寿命的关系曲线

经现场技术人员的反馈，认为此次对回转平台的结构优化改进工作，使得回转平台的应力值降低，对应的故障率降低了15%以上，使用寿命也得到了显著提升。为掘进机的稳定可靠运行奠定了坚实的基础，为企业创造了良好的经济和安全效益。

4 结 论

主要以煤矿中常用的EBZ300掘进机为研究对象，利用有限元软件对回转平台的受力情况进行分析，并对结构进行优化改进，所得结论主要如下。

(1) 回转平台工作时需要承受截割头传递的载荷，容易出现应力集中现象，是故障率较高的结构件之一。

(2) 应力分布结果表明，销轴部位是回转中的应力集中位置，最大应力值达到了185.34 MPa，对应的安全系数只有1.27，不满足机械工程中的安全标准。

(3) 以回转平台四根销轴为优化对象，以结构件的最大力值为优化目标开展优化改进工作，在工况条件相同的情况下，优化后回转平台的最大应力降低到了155.63 MPa，达到了机械工程安全标准。

(4) 将优化后的回转平台结构应用到煤矿工程实践中，取得了良好的安全效益和经济效益。