EBZ220掘进机回转台的有限元分析

酮究与分析　・机械研究与应用・　

ＥＢＺ２２０掘进机回转台的有限元分析　张佃龙　，刘传军。，孔锐　（１．充矿集团机电设备制造厂，山东邹城２７３５００；２．充州煤业股份有限公司综机管理中心，山东邹城２７３５００）　

摘要：利用三维软件Ｐｒｏ／Ｅ对ＥＢＺ２２０掘进机回转台进行实体建模，利用有限元方法对该设计结构进行受力分析，　得到详细准确的应力分布，找出危险截面，从而为回转台的优化设计提供理论依据。　关键词：回转台；有限元；受力分析　中图分类号：ＴＩＭ２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—４４１４（２０１１）０３—００５０—０２　ＦＥＭ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｒｏａｄｈｅａｄｅｒ　ＥＢＺ２２０　ｔｕｒｎｉｎｇ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　Ｚｈａｎｇ　Ｄｉａｎ－ｌｏｎｇ　，“ｕ　Ｃｈｕａｎ－ｊｕｎ　，Ｋｏｎｇ　Ｒｕｉ　（１．Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｌａｎｔ　ｏｆＹａｎｋｕａｎｇ　Ｇｒｏｕｐ，Ｚｏｕｃｈｅｎｇ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２７３５００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｍｉｎｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｍａｎｈｕｎｔ　ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｙａｎｚｌｗｕ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｚｏｕｃｈｅｎｇ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２７３５００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ：Ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｒｎｉｎｇ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｄｈｅａｄｅｒ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　３Ｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｐｒｏ／Ｅ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｆｏｒ　ｓｔｒｅ￣ｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｂｙ　ＡＮＳＹＳ．Ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｄａｎｇｅｍｕｓ　ＳｅＣｔｉＯｌ￣ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　Ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆｔｈｅ　ｔｕｒｎｉｎｇ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆｔｈｅ　ｒｏａｄ－　ｈｅａｄｅｒ　ＥＢＺ２２Ｏ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｕｒｎｉｎｇ　ｐｌａｔｆｏｒｍ；ＦＥＭ；ｆｏｒｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

１　引　言　回转台是悬臂式掘进机主要组成部件之一，它联　接本体架和支撑截割臂，实现截割臂的升降和回转运　动，并承受来自切割头复杂交变的冲击载荷…。因　此对回转台的强度进行校核是一项十分重要的工作。　Ｐｒｏ／Ｅ是由美国ＰＴＣ公司开发的一款主流计算　机三维辅助设计软件，具有众多强大功能　。ＡＮＳＹＳ　作为有限元领域的大型通用程序，在工业领域和研究　方向都有广泛深入的应用　】。主要应用了结构静力　学分析功能，得到应力分布和变形分布等数据。　２有限元模型　２．１模型的建立　回转台结构主要有三组连接孔，分别与截割部、　截割升降油缸和回转油缸连接。其上有圆周分布的　孔用于连接回转支承，并通过回转支承固定在本体架　上。回转台设计的基本要求为承载能力大、惯性小、　能量损耗少；运转平稳、具有足够的强度和刚度；结构　紧凑、回转角度小、重心降低；水平回转时，进给力变　化小…。应用Ｐｒｏ／Ｅ　Ｗｉｌｄｆｉｒｅ　５．０对回转台进　行建模，由于回转台的结　构较为复杂，综合运用了　Ｐｍ／Ｅ的拉伸、旋转、孔、　阵列和镜像等命令，三维　模型结构如图１所示。　图１回转台结构图　２．２材料属性设定　回转台的材料为ＺＧ２７０—５００，其弹性模量为２．０　Ｘ１０　ＭＰａ，泊松比为０．３，密度为７．８５Ｘ１０　ｋｇ／ｍ　，材　料的屈服极限为２７０ＭＰａ。　３　回转台工况与受载分析　３．１工况分析　掘进机截割过程中主要有：①掏槽切割：截割臂　受到截割扭矩和轴向力的作用，受力情况较简单，切　割的进给力来自行走驱动力，掏槽的最大深度为切割　头长度；②工作面切割：可先切割软岩，有了自由面后　再切割硬岩，截割头所受水平方向的力对回转台产生　一定弯矩，受力情况更恶劣。笔者选取在截割部处于　水平位置时，进行摆动截割的工况为研究对象。　３．２载荷确定　根据掘进机在现场的实际使用情况，对回转台的　受力情况进行分析可知：在截割头中心处施加截割进　给力，反作用于回转台与截割部连接的孔上，即岩壁　的反作用力Ｆ　；两个截割升降油缸的推力　作用于　回转台的连接孔上；回转油缸在回转台一侧连接孔上　提供了推力Ｆ　，在另一侧连接孔上提供了拉力Ｆ。；　截割部的重力和截割力作用在回转台上形成一个倾　翻力矩　；由回转台周圈的孔与回转支承连接在一　块，并通过回转支撑固定到本体架上　Ｊ。　掘进机的相关参数：截割电机功率Ｐ＝２２０ｋＷ；　截割头转速　＝４８ｒ／ｍｉｎ；截齿平均回转直径Ｄ＝１ｍ；　

收稿日期：２０１１—０３—２８　作者简介：张佃龙，（１９７７一），男，山东邹城人，工程师，主要从事采掘机械的设计工作。　

・５０・　・机械研究与应用・　液压系统的压力Ｐ：１８ＭＰａ；单个行走部的驱动力Ｆ．　＝１９７．６５ｋＮ；截割升降油缸活塞直径Ｄ　＝１８０ｍｍ；回　转油缸活塞直径Ｄ　＝１６０ｍｍ；回转油缸活塞杆直径　ｄ２＝１００ｍｍ；截割部的质量ｒｎ＝１３１６６．９５ｋｇ；截割部长　Ｌ１＝５．０５ｍ；回转台中心到回转部分重心的距离￡２＝２．　９４ｍ；回转台底面到切割头中心的距离厶＝Ｏ．１１５ｍ。　经过计算，得　＝３９５．３ｋＮ，ＦＢ＝４３５ｋＮ，Ｆｃ＝　３４３．６ｋＮ，ＦＤ＝４８．４５ｋＮ，Ｍ＝８．１７￣１０　Ｎ・ｍ。　４　应用ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ　１１．０进行分析　有限元方法的基本思想是将问题的求解域划分　为一系列的单元，单元之间仅靠节点连接。单元内部　点的待求值可由单元节点值通过选定的函数关系插　值求得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量　关系建立节点值之间的方程式，然后将各个单元方程　组合在一起形成总体代数方程组，考虑边界条件后即　可对方程组进行求解　Ｊ。基于这种思想，有限元法　的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳　问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力学问　题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、　黏弹性、黏塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流　体力学、传热学及电磁学等领域。　ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ　１　１．０是新一代ＣＡＥ分析环　境和应用平台，它提供了统一的开发和管理ＣＡＥ信　息的工作环境，提供了高级功能的易用性，界面经过　优化简洁易用，能直接读人所有常用的ＣＡＤ格式　ｊ，　也能方便的切换到经典的ＡＮＳＹＳ环境。　笔者直接把Ｐｒｏ／Ｅ　５．０建立的三维实体模型读　人ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ　１　１．０中进行处理。　４．１参数设置　选择实体模型，在ｍａｔｅｔｉａｌ选项中设置为ｓｔｒｕｃ—　ｔｕｒｅ　ｓｔｅｅｌ。　４．２网格划分　网格划分即为整体结构离散化，是数值分析的前　提。网格的疏密是由结构变化梯度决定的，也是为了　较好的反映容易产生应力集中部位数据变化规律而　设置的。其数量的多少也直接影响到计算规模的大　小和计算结果的精度。　软件ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ　１１．０可以自动生成网　格，且对大多数模型默认的网格划分是合适的，如图　２所示。单元总数为３２７０４个，节点总数６０２４８个。　４．３加载及约束　查阅一些资料，孔轴接合处载荷的轴线方向按二　次抛物线分布，由于各孔直径较大，笔者认为载荷均　沿孔的圆周方向在１８０。范围内按余弦分布。施加载　荷及约束后，如图３所示。　４．４查看分析结果　

研究与分析　应用ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ　１１．０的结构静力学分　析，得到应力云图和最大变形量分别如图４、５所示。　

图２回转台网格划分　图３加载与约束　图４应力云图　图５最大变形量　由图４、５的计算结果可知，最大应力为１５６．　７９ＭＰａ，位于与截割臂相连接的耳座下的圆角处，最　大应力没有超过材料的屈服强度。最大变形量为　１．４３ｍｍ，位于截割升降油缸的铰接耳的底部。由于　铸件很难达到理想的状态，所以应尽可能降低部件的　最大应力值，从而获得更高的安全系数。　４．５优化方案　根据以上得出的数据，可以制定出相对合理的优　化方案，加大最大应力处的圆角，并参照截割臂铰接　耳的尺寸，避免产生干涉。　５　结语　笔者利用三维软件Ｐｒｏ／Ｅ对回转台进行了实体　建模，并导人ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ　ｌ１．０中，利用有限元　方法对该设计结构进行受力分析，经过前处理、划分　网格、加载和约束和后处理等步骤。　通过对回转台的分析，模拟了掘进机实际使用情　形下载荷与约束的分布情况，得到较为准确的后处理　数据，即图４应力分布和图５最大变形量，找出了回　转台在掘进机工作时的危险截面，为制定优化方案提　供了可靠的依据。　近年来，随着各种功能更为强大的三维设计软件　和ＣＡＥ软件的广泛应用，使设计人员的设计手段更　丰富，新产品的开发周期缩短，大大提高了生产效率。　参考文献：　［１］黄日恒．悬臂式掘进机［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社，１９９６．　［２］博创设计坊．Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ　Ｗｉｌｄｆｉｒｅ４．０基础培训教程［Ｍ］．北　京：清华大学出版社，２００８．　［３］秦宇．ＡＮＳＹＳ１１．０基础与实例教程［Ｍ］．北京：化学工业出版　社。２００９．　［４１　高春花．基于有限元法的ＥＢＺ３００掘进机回转台模态特性分析　［Ｊ］．煤炭机械，２００９，３０（６）：７２－７３．　

．５１・