申麗兵，崔衛(wèi)秀

(陽泉煤業(yè)集團和順新大地煤業(yè)有限公司職工學(xué)校，山西 和順 032700)

0 引 言

懸臂式掘進機在煤礦隧道掘進中的逐步推廣和大量使用,提高了工作效率和經(jīng)濟效益,已成為主要產(chǎn)煤國家不可缺少的設(shè)備。懸臂式掘進機中的回轉(zhuǎn)機構(gòu)，一方面承受著工作機構(gòu)所有的切割阻力和阻力矩，一方面完成著工作機構(gòu)的水平進給運動（回轉(zhuǎn)耳架及擺動油缸組成）。它的可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到整機的使用周期，其尺寸大小也直接影響到整機的高度和寬度等總體參數(shù)。傳統(tǒng)設(shè)計中，回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計計算通常采用解析法，其對簡化計算、初始設(shè)計有一定的理論意義，但是由于擺動油缸受到油液沖擊載荷的影響，以及截割礦巖時的載荷是變化的，回轉(zhuǎn)機構(gòu)受的力矩并不是定值。EBZ200型懸臂式掘進機有截割功率大、重心低、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)動靈活等特點。回轉(zhuǎn)機構(gòu)是其重要部件，它連接機架、支撐截割臂,實現(xiàn)截割頭的鉆進掏槽、掃落煤巖、截割臂的升降、回轉(zhuǎn)等運動,并承受來自截割頭的復(fù)雜多變的沖擊載荷,因此它的性能將直接關(guān)系到掘進機的穩(wěn)定性及工作效率[1]。

本文利用CAD建模軟件Unigraphics，對懸臂式掘進機回轉(zhuǎn)機構(gòu)對實際結(jié)構(gòu)尺寸建立了三維實體模型；然后利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對回轉(zhuǎn)機構(gòu)中的關(guān)鍵零件進行了應(yīng)力-應(yīng)變分析，得到了回轉(zhuǎn)耳架在實際工況下的應(yīng)力和變形分布，為進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。回轉(zhuǎn)機構(gòu)的有限元分析過程如下。

1 材料屬性的添加及單元的劃分

有限元初始模型先要添加材料屬性及劃分網(wǎng)格?；剞D(zhuǎn)耳架添加材料屬性，見圖1。

ANSYS軟件對網(wǎng)格的劃分有兩種：1）自由劃分網(wǎng)格(FreeMeshing)對于單元形狀無限制，內(nèi)部節(jié)點位置較隨意，在其體上可自動生成四面體網(wǎng)格。2）映射網(wǎng)格劃分(MappedMeshing)生成的單元形狀較規(guī)則，必須包含六面體、五面體、四面體單元，在相對的面和邊上所定義的單元劃分?jǐn)?shù)必須相等，對于復(fù)雜邊界模擬能力較自由劃分網(wǎng)格差。如果要采用循環(huán)對稱法計算，則采用六面體單元，必須用映射分網(wǎng)。因為回轉(zhuǎn)耳架模型不規(guī)則，故選用自由網(wǎng)格劃分法。

圖1 材料屬性對話框

有限元法是用有限個單元將連續(xù)體離散化，采用數(shù)值計算方法分別計算每個單元，屬近似計算方法。如果劃分網(wǎng)格較密集，或者劃分單元形式正確，則計算結(jié)果與理論結(jié)果較相近。如果網(wǎng)格加密，可能獲得更加精確的結(jié)果；但因網(wǎng)格過密，又會造成計算量過大、計算時間過長、結(jié)果精度并未提高很多，需要綜合考慮各方面的因素。假如網(wǎng)格精度適當(dāng)，較小的網(wǎng)格精度也能得到精確結(jié)果[2]。

ANYSYS提供了多種網(wǎng)格劃分格式，常用的有四面體實體單元、三角形實體單元，以及六面體實體單元。這些劃分算法中又分為線形和拋物線形，拋物線形的接點多于線形的接點，因此計算精度高，但占用計算機的資源多，計算時間較長。因為回轉(zhuǎn)耳架是用三維實體建模，采用拋物線形四面體實體單元劃分、局部加密，以便精確算出這些部位的應(yīng)力[3]。本文利用AN?SYS Workbench自動劃分網(wǎng)格，得到初始網(wǎng)格結(jié)果，并在各鉸接點處細化網(wǎng)格，最終結(jié)果見圖2。從圖2看出，模型共有61 144個節(jié)點，33 594個四面體單元。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2 約束與載荷的添加

考慮到回轉(zhuǎn)耳架與回轉(zhuǎn)軸承采用的是螺栓聯(lián)接，對回轉(zhuǎn)耳架的回轉(zhuǎn)中心添加全約束，對各個鉸接點按照動力學(xué)仿真結(jié)果中的平均值，分別按照軸向力、徑向力、豎直方向力添加載荷。當(dāng)模型、網(wǎng)格、約束、加載均已完成后,采用稀疏矩陣法(Sparse Solver)對其求解。分析所得結(jié)果[4]，見圖3。從圖看出,回轉(zhuǎn)耳架的最大應(yīng)力接近于不同部件的焊接處和有角的部位,這與回轉(zhuǎn)耳架實際損壞部位符合,故在后續(xù)加工中,應(yīng)增加焊口強度。

圖3 載荷添加

3 有限元的結(jié)果分析

經(jīng)過前期準(zhǔn)備，得到模型等效應(yīng)力分布見圖4，變形趨勢見圖5。結(jié)果顯示，回轉(zhuǎn)耳架最大等效應(yīng)力67.204 MPa，最大變形1.030 2 mm。根據(jù)《機械設(shè)計手冊》查得 ZG45的許用應(yīng)力：[σ]=0.2σs=0.2×370=74 MPa，由于67.204 MPa＆lt;[σ]，結(jié)構(gòu)安全。但是，由于對模型所施加的載荷為掘進機運行平穩(wěn)時的平均值，最大應(yīng)力已經(jīng)逼近許用應(yīng)力，如果掘進機在工作時劇烈震蕩，或者截割煤巖硬度較高（本模型截割負(fù)載15 t），很有可能達到或超過許用值，故在今后的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計時，應(yīng)該考慮避免這種狀況的出現(xiàn)[5]。

圖4 等效應(yīng)力分布云圖

圖5 受力變形云圖

[1] 馬躍.談我國懸臂式掘進機的發(fā)展及趨勢[J].煤，2005，15(2)：29-32.

[2] 趙經(jīng)文.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：科學(xué)出版社，1986.

[3]黃燕.橫軸式掘進機動態(tài)模型的建立及動力學(xué)行為的研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2002：12-16.

[4] 王成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京：清華出版社，1997.

[5] 高德平.機械工程中的有限元法基礎(chǔ)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1993.