EBZ160掘进机回转台实际工况有限元分析及优化

吕宏伟　王润溥

摘 要：对EBZ160掘进机在某煤矿井下，实际切割300m单向抗压强度80～100MPa全岩巷道，掘进机回转台出现的破损情况，采用AnsysWorkbench软件对回转台进行有限元计算，分析掘进机回转台断裂形成原因，并根据计算结果，对回转台材质及部分零件结构进行优化改进。本研究为EBZ160掘进机进行向抗压强度80～100MPa全岩巷道经济切割提供理论基础。

关键词：EBZ160掘进机回转台；单向抗压强度80～100Mpa硬岩；全岩巷道切割；AnsysWorkbench有限元分析

我国是世界煤炭第一生产和消费大国，煤炭在我国的一次能源中占有及其重要的地位。EBZ160掘进机是适合缓倾煤层条件下使用的半煤岩掘进机，经济切割煤岩的单向抗压强度≤80MPa，适用于煤、半煤岩或岩层的切割。该掘进机是为综采工作的采准巷道综掘作业提供的综掘设备，具有高效、较高的适应性、高可靠性的产品。但是，在掘进机实际使用过程中，经常出现短则数米长则几百米的单向抗压强度80～100MPa全岩巷道，该对掘进机的过岩层能力提出了严格的考验。

1 巷道地质条件及掘进机使用工况

1.1 巷道地质条件

该掘进机在某煤矿西-801回顺巷进行井下工业性考核，累计运行86天，共掘进783米，西-801回顺巷沿走向：岩和半煤岩构造断层处为沙岩，煤层1.5-1.8m上部和顶板泥岩，细沙岩，粉沙岩；下部和底板泥岩，粉沙岩。沿走向250m和西-801回风道61m近乎全岩（如图1所示），岩石单向抗压强度80～100MPa，很少有煤线出现。

1.2 掘进机使用工况

在西-801回风道61m全岩切割过程中，出现回转台断裂情况。如图所示，掘进机回转台裂纹沿左侧中部延伸至右侧螺纹孔处，下部回转支承联接止口撕裂。沿裂缝处附近回转台与回转支承联接螺栓断裂，断裂处在螺栓帽根部。

因此判断回转台失效部位先后顺序，并取得工作时回转台工作时各部位应力准确数据，对该回转台的结构及使用选材优化有着重要意义。

2 回转台建模及有限元分析

AnsysWorkbench是一个有限元软件平台，它包含了固体分析、流体分析、热分析、电磁场分析四个部分，对于固体分析，有静力学分析和动力学分析，利用静力学分析中的static structural模块对回转台进行模型预处理及求解，以取得结构及材料优化所需的精确数据。

2.1 回转台建模及预处理

利用CROE软件对回转台建模，以step文件导入至AnsysWorkbench建模模块中检查模型，然后将模型转入AnsysWorkbench预处理模块，处理模型中零件之间接触设置摩擦系数0.15，进行网格划分，并对模型施加载荷及约束。M24的螺栓施加900N·M紧固力矩，相当于2×105N的预紧力。

2.1.1 切割头向上切割并且水平切割工况时：

如图3所示，掘进机在实际切割时抗压强度80～100MPa，超过设计输入参数，可以认为回转台受力极限状态为回转台伸缩油缸及切割头升降油缸最大工作压力时，回转台的受力状态。按油缸最大工作压力20MPa，计算切割头升降油缸各铰接孔的受力，并加载。约束伸缩油缸铰接孔及回转台下部回转支承止口。

2.1.2 切割头向下切割并且水平切割工况时：

如图4所示，掘进机在实际切割时抗压强度80～100MPa，超过设计输入参数，可以认为回转台受力极限状态为回转台伸缩油缸及切割头升降油缸最大工作压力时，回转台的受力状态。按油缸最大工作压力20MPa，计算切割头升降油缸各铰接孔的受力，并加载。约束伸缩油缸铰接孔及回转台下部回转支承止口。

2.2 计算结果

2.2.1 切割头向上切割并且水平切割工况时

掘进机在该工况时，等效应力云图如图5所示，应力集中在图中标示处，上层应力80MPa至130MPa，下层平均应力为150MPa，应力分布与回转台实际破损情况相符。

2.2.2 切割头向下切割并且水平切割工况时

掘进机在该工况时，等效应力云图如图5所示，应力集中在图中标示处，上层应力90MPa，下层平均应力为120MPa至150MPa，应力分布与回转台实际破损情况相符。

3 材料优化及结构优化

根据AnsysWorkbench软件计算结果，观察掘进机回转台动态应力及变形动画对回转台失效进行分析，认为首先是焊接结构的底板回转支承止口先开裂失效，然后导致螺栓受剪力导致应力集中区螺栓帽根部断裂，最后在Q235-A的基材上产生疲劳失效，最后导致裂纹出现并延伸使回转台失效。

结合掘进机工作时有强烈振动的实际情况，安全系数应≥2，构建材料许用应力需≥300MPa。因此将原来Q235-A的材料改为Q345-A，并且选用强度大于等于Q345-A的焊丝进行焊接。同时，将底板回转支承联接止口由原焊接结构改为底板厚板加工生成。设计修改虽然提高了制造成本，但是满足了单向抗压强度80～100MPa全岩巷道的巷道掘进要求。

根据随后的随机跟踪服务发现，改进后的掘进机回转台再未发生断裂等任何失效现象，证明了AnsysWorkbench优化计算复合实际工况，对其他设计等也具有很好的指导作用。

参考文献

[1]成大先.机械设计手册（单行本）.常用工程材料[M]北京：化学工业出版社，2004，1.

[2]浦广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010，10.

[3]《重型机械标准》编写委员会.重型机械标准[M].昆明：云南科技出版社，2007，11.endprint

摘 要：对EBZ160掘进机在某煤矿井下，实际切割300m单向抗压强度80～100MPa全岩巷道，掘进机回转台出现的破损情况，采用AnsysWorkbench软件对回转台进行有限元计算，分析掘进机回转台断裂形成原因，并根据计算结果，对回转台材质及部分零件结构进行优化改进。本研究为EBZ160掘进机进行向抗压强度80～100MPa全岩巷道经济切割提供理论基础。

关键词：EBZ160掘进机回转台；单向抗压强度80～100Mpa硬岩；全岩巷道切割；AnsysWorkbench有限元分析

我国是世界煤炭第一生产和消费大国，煤炭在我国的一次能源中占有及其重要的地位。EBZ160掘进机是适合缓倾煤层条件下使用的半煤岩掘进机，经济切割煤岩的单向抗压强度≤80MPa，适用于煤、半煤岩或岩层的切割。该掘进机是为综采工作的采准巷道综掘作业提供的综掘设备，具有高效、较高的适应性、高可靠性的产品。但是，在掘进机实际使用过程中，经常出现短则数米长则几百米的单向抗压强度80～100MPa全岩巷道，该对掘进机的过岩层能力提出了严格的考验。

1 巷道地质条件及掘进机使用工况

1.1 巷道地质条件

该掘进机在某煤矿西-801回顺巷进行井下工业性考核，累计运行86天，共掘进783米，西-801回顺巷沿走向：岩和半煤岩构造断层处为沙岩，煤层1.5-1.8m上部和顶板泥岩，细沙岩，粉沙岩；下部和底板泥岩，粉沙岩。沿走向250m和西-801回风道61m近乎全岩（如图1所示），岩石单向抗压强度80～100MPa，很少有煤线出现。

1.2 掘进机使用工况

在西-801回风道61m全岩切割过程中，出现回转台断裂情况。如图所示，掘进机回转台裂纹沿左侧中部延伸至右侧螺纹孔处，下部回转支承联接止口撕裂。沿裂缝处附近回转台与回转支承联接螺栓断裂，断裂处在螺栓帽根部。

因此判断回转台失效部位先后顺序，并取得工作时回转台工作时各部位应力准确数据，对该回转台的结构及使用选材优化有着重要意义。

2 回转台建模及有限元分析

AnsysWorkbench是一个有限元软件平台，它包含了固体分析、流体分析、热分析、电磁场分析四个部分，对于固体分析，有静力学分析和动力学分析，利用静力学分析中的static structural模块对回转台进行模型预处理及求解，以取得结构及材料优化所需的精确数据。

2.1 回转台建模及预处理

利用CROE软件对回转台建模，以step文件导入至AnsysWorkbench建模模块中检查模型，然后将模型转入AnsysWorkbench预处理模块，处理模型中零件之间接触设置摩擦系数0.15，进行网格划分，并对模型施加载荷及约束。M24的螺栓施加900N·M紧固力矩，相当于2×105N的预紧力。

2.1.1 切割头向上切割并且水平切割工况时：

如图3所示，掘进机在实际切割时抗压强度80～100MPa，超过设计输入参数，可以认为回转台受力极限状态为回转台伸缩油缸及切割头升降油缸最大工作压力时，回转台的受力状态。按油缸最大工作压力20MPa，计算切割头升降油缸各铰接孔的受力，并加载。约束伸缩油缸铰接孔及回转台下部回转支承止口。

2.1.2 切割头向下切割并且水平切割工况时：

如图4所示，掘进机在实际切割时抗压强度80～100MPa，超过设计输入参数，可以认为回转台受力极限状态为回转台伸缩油缸及切割头升降油缸最大工作压力时，回转台的受力状态。按油缸最大工作压力20MPa，计算切割头升降油缸各铰接孔的受力，并加载。约束伸缩油缸铰接孔及回转台下部回转支承止口。

2.2 计算结果

2.2.1 切割头向上切割并且水平切割工况时

掘进机在该工况时，等效应力云图如图5所示，应力集中在图中标示处，上层应力80MPa至130MPa，下层平均应力为150MPa，应力分布与回转台实际破损情况相符。

2.2.2 切割头向下切割并且水平切割工况时

掘进机在该工况时，等效应力云图如图5所示，应力集中在图中标示处，上层应力90MPa，下层平均应力为120MPa至150MPa，应力分布与回转台实际破损情况相符。

3 材料优化及结构优化

根据AnsysWorkbench软件计算结果，观察掘进机回转台动态应力及变形动画对回转台失效进行分析，认为首先是焊接结构的底板回转支承止口先开裂失效，然后导致螺栓受剪力导致应力集中区螺栓帽根部断裂，最后在Q235-A的基材上产生疲劳失效，最后导致裂纹出现并延伸使回转台失效。

结合掘进机工作时有强烈振动的实际情况，安全系数应≥2，构建材料许用应力需≥300MPa。因此将原来Q235-A的材料改为Q345-A，并且选用强度大于等于Q345-A的焊丝进行焊接。同时，将底板回转支承联接止口由原焊接结构改为底板厚板加工生成。设计修改虽然提高了制造成本，但是满足了单向抗压强度80～100MPa全岩巷道的巷道掘进要求。

根据随后的随机跟踪服务发现，改进后的掘进机回转台再未发生断裂等任何失效现象，证明了AnsysWorkbench优化计算复合实际工况，对其他设计等也具有很好的指导作用。

参考文献

[1]成大先.机械设计手册（单行本）.常用工程材料[M]北京：化学工业出版社，2004，1.

[2]浦广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010，10.

[3]《重型机械标准》编写委员会.重型机械标准[M].昆明：云南科技出版社，2007，11.endprint

摘 要：对EBZ160掘进机在某煤矿井下，实际切割300m单向抗压强度80～100MPa全岩巷道，掘进机回转台出现的破损情况，采用AnsysWorkbench软件对回转台进行有限元计算，分析掘进机回转台断裂形成原因，并根据计算结果，对回转台材质及部分零件结构进行优化改进。本研究为EBZ160掘进机进行向抗压强度80～100MPa全岩巷道经济切割提供理论基础。

关键词：EBZ160掘进机回转台；单向抗压强度80～100Mpa硬岩；全岩巷道切割；AnsysWorkbench有限元分析

我国是世界煤炭第一生产和消费大国，煤炭在我国的一次能源中占有及其重要的地位。EBZ160掘进机是适合缓倾煤层条件下使用的半煤岩掘进机，经济切割煤岩的单向抗压强度≤80MPa，适用于煤、半煤岩或岩层的切割。该掘进机是为综采工作的采准巷道综掘作业提供的综掘设备，具有高效、较高的适应性、高可靠性的产品。但是，在掘进机实际使用过程中，经常出现短则数米长则几百米的单向抗压强度80～100MPa全岩巷道，该对掘进机的过岩层能力提出了严格的考验。

1 巷道地质条件及掘进机使用工况

1.1 巷道地质条件

该掘进机在某煤矿西-801回顺巷进行井下工业性考核，累计运行86天，共掘进783米，西-801回顺巷沿走向：岩和半煤岩构造断层处为沙岩，煤层1.5-1.8m上部和顶板泥岩，细沙岩，粉沙岩；下部和底板泥岩，粉沙岩。沿走向250m和西-801回风道61m近乎全岩（如图1所示），岩石单向抗压强度80～100MPa，很少有煤线出现。

1.2 掘进机使用工况

在西-801回风道61m全岩切割过程中，出现回转台断裂情况。如图所示，掘进机回转台裂纹沿左侧中部延伸至右侧螺纹孔处，下部回转支承联接止口撕裂。沿裂缝处附近回转台与回转支承联接螺栓断裂，断裂处在螺栓帽根部。

因此判断回转台失效部位先后顺序，并取得工作时回转台工作时各部位应力准确数据，对该回转台的结构及使用选材优化有着重要意义。

2 回转台建模及有限元分析

AnsysWorkbench是一个有限元软件平台，它包含了固体分析、流体分析、热分析、电磁场分析四个部分，对于固体分析，有静力学分析和动力学分析，利用静力学分析中的static structural模块对回转台进行模型预处理及求解，以取得结构及材料优化所需的精确数据。

2.1 回转台建模及预处理

利用CROE软件对回转台建模，以step文件导入至AnsysWorkbench建模模块中检查模型，然后将模型转入AnsysWorkbench预处理模块，处理模型中零件之间接触设置摩擦系数0.15，进行网格划分，并对模型施加载荷及约束。M24的螺栓施加900N·M紧固力矩，相当于2×105N的预紧力。

2.1.1 切割头向上切割并且水平切割工况时：

如图3所示，掘进机在实际切割时抗压强度80～100MPa，超过设计输入参数，可以认为回转台受力极限状态为回转台伸缩油缸及切割头升降油缸最大工作压力时，回转台的受力状态。按油缸最大工作压力20MPa，计算切割头升降油缸各铰接孔的受力，并加载。约束伸缩油缸铰接孔及回转台下部回转支承止口。

2.1.2 切割头向下切割并且水平切割工况时：

如图4所示，掘进机在实际切割时抗压强度80～100MPa，超过设计输入参数，可以认为回转台受力极限状态为回转台伸缩油缸及切割头升降油缸最大工作压力时，回转台的受力状态。按油缸最大工作压力20MPa，计算切割头升降油缸各铰接孔的受力，并加载。约束伸缩油缸铰接孔及回转台下部回转支承止口。

2.2 计算结果

2.2.1 切割头向上切割并且水平切割工况时

掘进机在该工况时，等效应力云图如图5所示，应力集中在图中标示处，上层应力80MPa至130MPa，下层平均应力为150MPa，应力分布与回转台实际破损情况相符。

2.2.2 切割头向下切割并且水平切割工况时

掘进机在该工况时，等效应力云图如图5所示，应力集中在图中标示处，上层应力90MPa，下层平均应力为120MPa至150MPa，应力分布与回转台实际破损情况相符。

3 材料优化及结构优化

根据AnsysWorkbench软件计算结果，观察掘进机回转台动态应力及变形动画对回转台失效进行分析，认为首先是焊接结构的底板回转支承止口先开裂失效，然后导致螺栓受剪力导致应力集中区螺栓帽根部断裂，最后在Q235-A的基材上产生疲劳失效，最后导致裂纹出现并延伸使回转台失效。

结合掘进机工作时有强烈振动的实际情况，安全系数应≥2，构建材料许用应力需≥300MPa。因此将原来Q235-A的材料改为Q345-A，并且选用强度大于等于Q345-A的焊丝进行焊接。同时，将底板回转支承联接止口由原焊接结构改为底板厚板加工生成。设计修改虽然提高了制造成本，但是满足了单向抗压强度80～100MPa全岩巷道的巷道掘进要求。

根据随后的随机跟踪服务发现，改进后的掘进机回转台再未发生断裂等任何失效现象，证明了AnsysWorkbench优化计算复合实际工况，对其他设计等也具有很好的指导作用。

参考文献

[1]成大先.机械设计手册（单行本）.常用工程材料[M]北京：化学工业出版社，2004，1.

[2]浦广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010，10.

[3]《重型机械标准》编写委员会.重型机械标准[M].昆明：云南科技出版社，2007，11.endprint