王曉亮

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤大同公司 鑫泰建井工程有限公司，山西 大同 037000）

1 概 況

縱軸式掘進(jìn)機(jī)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，其在煤礦生產(chǎn)、道橋施工、水利工程建設(shè)等諸多領(lǐng)域有著較為廣泛應(yīng)用?；剞D(zhuǎn)臺(tái)是縱軸式掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分，分別與2 個(gè)回轉(zhuǎn)油缸和2 個(gè)升降油缸相連，起到截割部與機(jī)身之間連接“關(guān)節(jié)”作用，保障掘進(jìn)機(jī)截割部的升降、左右運(yùn)動(dòng)效果，其工作性能將會(huì)直接影響到掘進(jìn)機(jī)截割效率及效果。但在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)平臺(tái)處于連接位置，截割部所受到的阻力以及振動(dòng)均會(huì)通過(guò)機(jī)臂傳遞給回轉(zhuǎn)臺(tái)，受力復(fù)雜多變，容易出現(xiàn)故障或者損壞情況。因此，本文以樹兒里煤業(yè)EBZ-300型縱軸式掘進(jìn)機(jī)為例，對(duì)縱軸式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行分析研究，提出合理優(yōu)化方案，提升回轉(zhuǎn)平臺(tái)的強(qiáng)度，降低故障率。

2 回轉(zhuǎn)臺(tái)模型構(gòu)建

在進(jìn)行EBZ-300 型縱軸式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)有限元分析前，需要根據(jù)回轉(zhuǎn)臺(tái)及其相鄰關(guān)系，構(gòu)建回轉(zhuǎn)臺(tái)及其連接部分各結(jié)構(gòu)部件的三維模型，并將該些模型進(jìn)行合理組合。此過(guò)程中采用UG 軟件進(jìn)行，具體三維模型分別包括截割臂、基座、回轉(zhuǎn)臺(tái)、回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸等部分，之后將該些部件進(jìn)行合理組合，導(dǎo)入到workbench 軟件中，并在此軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分方法采用自由網(wǎng)格劃分。為方便進(jìn)行觀察分析，對(duì)其他模型進(jìn)行隱藏處理，取到的網(wǎng)格劃分模型如圖1 所示。

圖1 回轉(zhuǎn)臺(tái)網(wǎng)格劃分模型Fig.1 Rotary table meshing model

3 有限元分析

根據(jù)EBZ-300 型縱軸式掘進(jìn)機(jī)正常工作狀態(tài)可知，回轉(zhuǎn)臺(tái)主要存在水平截割和豎直截割兩種工作狀態(tài)，水平截割狀態(tài)下回轉(zhuǎn)油缸運(yùn)作，升降油缸不運(yùn)作；在豎直截割狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)油缸不運(yùn)作，豎直油缸運(yùn)作。基于這一特點(diǎn)，分別對(duì)水平截割和豎直截割情況下的回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖2、圖3 所示。

圖2 水平截割狀態(tài)下回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力云圖Fig.2 Stress cloud diagram of rotary table under horizontal cutting state

圖3 水平截割狀態(tài)下回轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力云圖Fig.3 Stress cloud diagram of rotary table under horizontal cutting state

如圖2 所示，在水平截割狀態(tài)下，掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)最大應(yīng)力值為183.99 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)位于掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)油缸與回轉(zhuǎn)臺(tái)相互連接區(qū)域，此區(qū)域同樣也是截割臂與回轉(zhuǎn)臺(tái)之間所產(chǎn)生水平最大截割角位置區(qū)域。分析結(jié)果與掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)水平截割狀態(tài)下的實(shí)際工作狀態(tài)基本一致，初步確認(rèn)此結(jié)果的有效性。

如圖3 所示，在豎直截割狀態(tài)下，掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)最大應(yīng)力值為262.45 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)位于掘進(jìn)機(jī)升降油缸與回轉(zhuǎn)臺(tái)相互連接區(qū)域，同樣也是截割臂與回轉(zhuǎn)臺(tái)之間所產(chǎn)生豎直最大截割角位置區(qū)域。分析結(jié)果與掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)水平截割狀態(tài)下的實(shí)際工作狀態(tài)基本一致，確認(rèn)此結(jié)果的有效性。

4 掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)優(yōu)化方案及工程應(yīng)用

4.1 掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)優(yōu)化方案

4.1.1 水平截割狀態(tài)下掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)優(yōu)化方案

通過(guò)LS-DYNA 軟件對(duì)掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)受力情況進(jìn)行仿真模擬分析，并在此過(guò)程中假定掘進(jìn)機(jī)截割過(guò)程中所受到的煤巖阻力均為定值。

想要改善水平截割狀態(tài)下掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際受力情況，提高掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)綜合性能，就需要改變掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)油缸對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)所產(chǎn)生的推移，即調(diào)整圖4 中的F1 推力值。而想要達(dá)成此效果，就需要使圖4 中l(wèi)1+3/4l2的值為最大值，因此需要調(diào)整回轉(zhuǎn)臺(tái)上2 個(gè)回轉(zhuǎn)油缸的力臂長(zhǎng)度。通常情況下，回轉(zhuǎn)油缸的力臂長(zhǎng)度僅與回轉(zhuǎn)油缸在掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)上的設(shè)置位置有關(guān)，因此，在對(duì)水平截割狀態(tài)下掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)受力進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要調(diào)整回轉(zhuǎn)油缸在掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)上的位置。

圖4 水平截割狀態(tài)下掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)受力示意圖Fig.4 Force diagram of roadheader rotary table under horizontal cutting condition

在圖4 中，C、D 兩點(diǎn)為回轉(zhuǎn)油缸與回轉(zhuǎn)臺(tái)之間的連接點(diǎn)，在調(diào)整回轉(zhuǎn)油缸力臂長(zhǎng)度時(shí)需要C、D 兩點(diǎn)盡可能遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)。但這樣會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)整體尺寸變大，增加掘進(jìn)機(jī)整體生產(chǎn)成本及整機(jī)重量。因此，為保障掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)優(yōu)化后的綜合經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化過(guò)程中只對(duì)圖4 中的A點(diǎn)和B 點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)實(shí)際情況，EBZ-300 型縱軸式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)最大水平轉(zhuǎn)角為39°，在此角度下對(duì)水平截割狀態(tài)下掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)A、B 兩點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化分析。采用MATLAB 軟件中的優(yōu)化工具，進(jìn)行分析計(jì)算后確定BJ、AJ 的長(zhǎng)度為650 mm。

4.1.2 豎直截割狀態(tài)下掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)優(yōu)化方案

EBZ-300 型縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割臂與回轉(zhuǎn)平臺(tái)水平線之間的最大夾角為15°，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化分析。根據(jù)EBZ-300 型縱軸式掘進(jìn)機(jī)圖紙可知，圖5 中CK、CL、CI、CH 的長(zhǎng)度分別為2 800、1 400、422、1 300 mm。通過(guò)MATLAB 軟件將上述數(shù)值代入后計(jì)算可得，15°夾角下豎直截割狀態(tài)下掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)升降油缸力臂長(zhǎng)度為421.74 mm，進(jìn)而推導(dǎo)出升降油缸最大力臂長(zhǎng)度為422 mm，優(yōu)化后CH 長(zhǎng)度為1 180 mm。

圖5 豎直截割狀態(tài)下掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)受力示意圖Fig.5 Force diagram of rotary table of roadheader under vertical cutting state

4.1.3 優(yōu)化效果

在水平截割狀態(tài)下，優(yōu)化前BJ 兩點(diǎn)之間長(zhǎng)度為300 mm，優(yōu)化后長(zhǎng)度為650 mm，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，相較于優(yōu)化前，優(yōu)化后的掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)上回轉(zhuǎn)油缸轉(zhuǎn)推力下降約3%；在豎直截割狀態(tài)下，CH兩點(diǎn)之間長(zhǎng)度為1 300 mm，優(yōu)化后的長(zhǎng)度為1 180 mm，相較于優(yōu)化前，優(yōu)化后掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)上升降油缸作用力下降約1%。雖然在兩種狀態(tài)下優(yōu)化效果均相對(duì)較小，但仍然可以改進(jìn)回轉(zhuǎn)臺(tái)的受力狀態(tài)及工作性能，保障回轉(zhuǎn)臺(tái)的工作穩(wěn)定性。

4.2 工程應(yīng)用

上文雖然提出EBZ-300 型縱軸式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)優(yōu)化方案，但由于以上研究過(guò)程均為理想化分析過(guò)程，其實(shí)際分析結(jié)果可能會(huì)與應(yīng)用實(shí)際存在一定差異，所以還需要進(jìn)行工程應(yīng)用分析。具體應(yīng)用前會(huì)根據(jù)優(yōu)化方案制作出掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)物，并將其應(yīng)用到樹兒里煤業(yè)生產(chǎn)中，具體應(yīng)用周期為6 個(gè)月。

在應(yīng)用中，采集升降油缸耳板左上方、升降油缸耳板左側(cè)面、升降油缸耳板左圓弧內(nèi)側(cè)面、升降油缸耳板右側(cè)面、升降油缸耳板右圓弧內(nèi)側(cè)面、回轉(zhuǎn)油缸耳板上側(cè)面、回轉(zhuǎn)油缸耳板下側(cè)面、升降油缸耳板右下方等位置的最大應(yīng)力值，詳見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)化后回轉(zhuǎn)臺(tái)各點(diǎn)位出應(yīng)力分布Table 1 The stress distribution of each point of the rotary table after optimization

如表1 所示，各點(diǎn)處最大應(yīng)力值為80.2 MPa，位于升降油缸耳板左圓弧內(nèi)側(cè)面，小于材料最大屈服強(qiáng)度，表明優(yōu)化方案具有較強(qiáng)可行性。此外，優(yōu)化后的EBZ-300 型縱軸式掘進(jìn)機(jī)實(shí)際應(yīng)用的6 個(gè)月內(nèi)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)的受力情況得到有效改善，故障率顯著降低，保障煤礦生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，以樹兒里煤業(yè)EBZ-300 型縱軸式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)為例，通過(guò)有限元仿真分析初步確認(rèn)回轉(zhuǎn)臺(tái)受力薄弱點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)具體工作狀態(tài)，提出掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)優(yōu)化方案，并將此優(yōu)化方案應(yīng)用于工程實(shí)踐，表明了此優(yōu)化方案的有效性。優(yōu)化后的EBZ-300 型縱軸式掘進(jìn)機(jī)相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，有效緩解了回轉(zhuǎn)臺(tái)的受力情況，保障了掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)的工作穩(wěn)定性，降低了回轉(zhuǎn)臺(tái)工作故障率，提高了掘進(jìn)機(jī)整體工作性能，保障煤礦企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)效益。