摘    要：掘進機截割過程易受到強沖擊載荷而導致回轉臺產生振動疲勞現象，對作業的可靠性和穩定性影響較大。經分析掘進機回轉臺的作業原理，依據Palmgram-Miner疲勞判斷法則，利用ANSYS仿真軟件對回轉臺振動疲勞情況進行分析。結果表明：回轉臺X軸向的振動對回轉臺疲勞損傷影響較大，通過減振能夠較好的提升回轉臺的整體壽命；回轉臺與油缸連接的4個銷軸位置易產生疲勞損壞現象，最小循環載荷為38 965次；仿真結果與現實情況相一致，分析方法具備一定的合理性與可行性，能夠作為回轉臺結構優化和改進的參考依據。

關鍵詞：掘進機;回轉臺;ANSYS;振動疲勞;

0前言

掘進機是煤炭業機械化高效快速掘進的關鍵裝備之一，承擔著截割、裝載運輸以及操作等諸多任務，適用于多種復雜的工作環境。采掘技術及其裝備水平是保障礦企高產穩產的關鍵措施，也直接著煤礦開采的能力和安全?；剞D臺作為掘進機截割臂運動的關鍵驅動與承載部件，受到截割力的強沖擊載荷作用，易引起結構產生不良振動，導致結構變形、開裂等失效現象，極大的影響著掘進作業的安全性和穩定性。因此，通過分析掘進機回轉臺作業原理，結合疲勞分析理論和可靠性理論，運用ANSYS系統對回轉臺振動疲勞進行仿真分析，從而對回轉臺的使用壽命進行合理化預估，以期進一步提升掘進作業安全性。同時，也為回轉臺及相關結構的優化改進提供了新的技術支持。

1 回轉臺作業原理與疲勞分析方法

礦用掘進機是當前煤礦機械化智能掘進的關鍵裝備，主要由截割部、行走機構、回轉臺以及冷卻機構等部分所構成，能夠滿足井下復雜環境的煤礦開采要求。通過各油缸的伸縮驅使回轉臺動作，進而帶動截割臂旋轉和抬高，使截割頭針對工作面不同方位進行截割?；剞D臺是驅使截割臂動作的基礎裝置，對作業回轉角以及采掘面積的影響較大。掘進機回轉臺動作示意圖如圖1所示。

圖1 掘進機回轉臺動作示意圖 

1.作業面2.截割頭3.回轉臺4.驅動油缸

在掘進機作業過程中，由于工作介質的差異性和不均勻性，回轉臺容易受復雜應力的影響易引起不規則的振動，致使應力集中區域發生線性疲勞破壞現象。目前，研究線性疲勞累積損傷的方法多采用Palmgram-Miner判斷法則?；剞D臺作業時，不同應力水平m循環數ni造成的回轉臺總損傷值

式中T———不同應力水平所對應的回轉臺壽命。

當E=1時，表示發生疲勞損壞。

2 回轉臺材料S-N曲線

回轉臺疲勞強度受到材料名義壓力的影響較大。在一定循環特性下，標準試件的應力與疲勞壽命之間關系一般采用S-N曲線進行表達，兩者之間的關系滿足

式中N———載荷循環次數；

σ———材料名義壓力；

α,β———材料系數。

經計算，可得回轉臺所用Q235材料的S-N曲線,如圖2所示。

圖2 回轉臺材料S-N曲線圖  

根據圖2可知，回轉臺材料的名義壓力與載荷循環次數之間呈反比關系，材料疲勞壽命隨應力的降低而提升。結合仿真要求，載荷試樣過程中，若Q235材料經過107次循環仍未發生失效現象，則可認定該條件下試樣材料的壽命為無限大。

3 實驗

3.1 實驗準備

以掘進機的實際截割工況為例，展開回轉臺振動疲勞進行分析。通過UG軟件構建回轉臺的三維模型，并導入至ANSYS仿真軟件中，從而建立回轉臺的仿真模型。在軟件中，回轉臺設定為實體單元類型，材料選用Q235，工作面和地板選為巖石，回轉臺與液壓缸以及截割臂之間的接觸均設置為綁定接觸。并根據回轉臺的結構特點，結合瞬態動力學的分析結果，采用四面體網格類型對模型進行網格劃分，劃分精度20 mm。劃分結果如圖3所示。

圖3 回轉臺網格劃分結果圖  

整個仿真實驗共分為2個階段，第1階段從起始位置開始水平向右進行截割，持續15 s，隨后進入第2階段，垂直向上截割，持續7 s。并依據現實截割情況，分別對回轉臺的X軸向、Y軸向以及Z軸向施加相應的分力。在仿真實驗中，所施加外載荷的方向與實際截割阻力的方向存在差異。水平截割時，回轉臺Y軸向所受分力-478.6 kN。15 s后，截割狀態由水平轉變為垂直，截割阻力方向發生了90°的轉變，需對回轉臺Y軸向和Z軸向的分力進行調整。具體設置數值如表1所示。

表1 回轉臺受力情況 

3.2 仿真結果及分析

(1）回轉臺瞬態動力學分析

對回轉臺進行瞬態動力學分析的目的在于分析結構隨著時間變化所產生的受迫振動響應和應力，從而獲取易故障位置，降低ANSYS仿真計算量，確保疲勞分析結果的合理性和準確性?；剞D臺振動源主要來自于掘進機截齒作業中的瞬時沖擊載荷，且具備非線性因素，為了便于軟件收斂和求解，首先對回轉臺頻譜進行分析?；剞D臺三向振動加速度如圖4所示。

通過分析圖4可知，回轉臺振動效果受自身固有頻率的影響較大，當頻率為24、53、127 Hz以及141 Hz時，幅值峰值較高，振動較為劇烈。回轉臺的三向振動加速度大小關系為X軸向>Z軸向>Y軸向，表明X軸向的振動對回轉臺的疲勞壽命影響較大，因此，對掘進機在X軸向上進行減振能夠進一步提高回轉臺的整體壽命。

(2）回轉臺應力分析

回轉油缸缸筒的伸出速度：第0～15 s時，設為10 mm/s，第16～22 s時，設為0。升降油缸的伸出速度：第0～15 s時，設為0，第16～22 s時，設為10 mm/s。利用ANSYS對回轉臺部分應力大小及分布進行求解，所得結果如圖5所示。

圖4 回轉臺三向振動加速度圖

圖5 回轉臺應力云圖  

由仿真結果可知，掘進機水平截割工況中，回轉臺最大受力為192.78 MPa，發生在第15 s水平截割角度達到最大時，位置位于升降油缸與回轉臺的連接銷軸附近。垂直截割工況中，回轉臺最大受力為416.04 MPa，發生時間與水平截割一致，位置位于升降油缸連接銷軸附近。仿真結果與現實情況相一致，表明了文中方法具備良好的合理性與可行性。

(3）回轉臺疲勞壽命分析

將回轉臺載荷譜文件與應力分析結果導入至ANSYS系統的的根目錄中，在可視化圖形界面拖入相應的疲勞分析模塊，通過模塊連接并設置相應參數，以確定回轉臺運行所需觸發的事件及載荷。而后，在系統疲勞求解器模塊中設置材料的S-N曲線以及求解方式，經ANSYS求解即可獲取回轉臺疲勞壽命的預估結果。如圖6所示。

圖6 回轉臺疲勞壽命預估結果圖  

分析圖6可知，掘進機回轉臺與油缸連接的4個銷軸位置為深色，容易產生疲勞損壞現象，與應力云圖分析結果相一致。整個回轉臺的最小載荷循環次數為38 965次。根據掘進機實際作業情況，每日平均運行24 h，單次循環用時1.85 h。經計算可得，理想條件下回轉臺壽命約為8.22 a。

4 結語

以掘進機回轉臺振動疲勞為研究方向，利用簡化的回轉臺運動模型，結合Palmgram-Miner疲勞判斷法對回轉臺疲勞壽命進行分析。通過UG軟件構建回轉臺的3D模型，利用ANSYS對回轉臺的三向振動加速度以及所受應力情況進行仿真。結果表明，回轉臺與油缸連接銷軸位置的載荷循環次數較少，容易產生疲勞損壞現象，預測壽命與實際情況較為一致。從而證明了基于ANSYS的礦用掘進回轉臺振動疲勞分析方法的合理性與可行性，能夠作為回轉臺的結構優化與改進的參考依據。

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文章來源：煤炭技術