二自由度回转机构的仿真设计

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在煤矿的生产过程中掘进和回采是两个重要环节，科学的机械化掘进技术是保证煤矿实现高产能、高效率的必要条件，也是国内相关技术改革与发展的大方向［1］。大型掘进机是用于不同巷道煤炭作业的专用工程机械，其主要功能有截割煤层、采集装运、行走支撑保护［2］。目前，国内对大型掘进机检测的实验一般仅在单一工况条件下进行，缺少在实际工作环境中的综合研究，特别是对主要元器件(例如回转机构)设计与优化的研究缺乏相关数据［3］。此外，我国自主研发的掘进机之所以与国际相同类型的产品存在较大技术代差，其中一个重要原因便是国内缺乏相对完善的大型掘进机性能检测实验系统［4］。因此，不断有学者针对回转机构进行优化研究。周开平［5］通过分析EBZ220型悬臂式掘进机回转机构在回转摆动和上下摆动时的应力模型，对回转台上的各铰接点进行优化，提高了液压稳定性。张理想等［6］利用ANSYS有限元分析软件对回转机构进行应力与形变位移分析，寻找装载平台结构的缺陷，提升了产品的设计质量。闫刚［7］通过应力和形变分析提出掘进机回转机构的优化方案，降低了掘进作业的风险。为提高实际掘进机回转机构的静力学和动力学性能，本研究根据大型掘进机生产厂家的实际需求，围绕掘进机性能实验台的相关设计要求，分析回转机构的载荷分布情况，在Pro/Engineer软件中对回转支撑装置进行建模和分析，验证其运动结构设计的安全性和稳定性，为更科学准确地获得大型掘进机样机所需的相关性能实验参数奠定基础。

1相关方案设计

1．1整体设计要求

1．1．1整体结构

图1为二自由度回转机构示意图。根据生产厂家的实际需求，大型掘进机承受的载荷［8］包括样机质量(90t)、承载板自质量(20t)、动载荷(20t);运动需求设计要求能够实现方案预期的向前、向后、向左、向右的摆动;在进行相关实验时，方案设计的各部分构建不能出现互相干扰现象，机器能够正常运转;结构设计要求符合国际理念，符合生产厂家的实际要求，能够带来经济效益。

1．1．2掘进机相关参数

EBZ300型掘进机相关参数［9］见表1。1.2有限元模型的建立1．2．1模型建立运用Pro/Engineer软件对二自由度回转机构进行装配模型构建，将三维模型导入ANSYS软件中，再进行优化处理。进行有限元分析时，应采用简洁的原则。因为本研究的重点是二自由度回转支撑装置的回转轴，所以在ANSYS软件的模型中应除去其他不必要的结构，只保留回转轴的装配体与轴座。在进行有限元分析时设定一个研究坐标系:以二自由度回转支撑装置下部回转轴的轴线方向为X轴;以二自由度回转支撑装置上部回转轴的轴线方向为Y轴;以二自由度回转支撑装置竖直方向为Z轴。ANSYS三维模型如图2所示。1．2．2网格划分在ANSYS软件中对实体模型添加单元属性(十字轴座的材料类别为高碳钢，泊松比为0．3，密度为7．8×103kg/m3，切变模量GX=0．794×1011Pa，弹性模量EX=1．8×1011Pa;两条回转轴材料类别为45#钢，弹性模量EX=2．1×1011Pa)，采用四面体单元划分网格，结果见图3。

1．3回转机构性能分析

1．3．1静力学分析

根据实际工况，对三维模型施加约束条件与载荷时，必须依据二自由度回转支撑装置的现实工作情况进行添加:X、Y、Z轴3个方向均被添加约束条件，有关表面需要添加一个面载荷。例如轴承与轴配合的面，其面载荷［10］σz=G1+G22Dl，(1)式中:σz为回转支撑结构回转轴的最大荷载，MPa;G1为实验机的重量，N;G2为整个承载板的重量，N;D为滑动轴与上部回转轴承接触的圆柱部分直径，m;l为滑动轴与上部回转轴承接触部分的长度，m。

1．3．2模态分析

共振是机械结构设计不可回避但可以避免的现象，使用ANSYS有限元软件可以对设计结构进行模态分析，从而有效预估设计结构的振动特性，优化结构设计。用模态分析求解基本方程即线性代数中的求解特征值［11］问题:KΦi=ω2iMΦi，(2)式中:Φi为第i阶模态的阵型向量;K为刚度矩阵;M为质量矩阵;ωi为第i阶模态的固有频率。

1．3．3结构优化

在实验过程中，回转机构中轴颈处应力集中，特别容易使轴发生断裂失效。为了降低事故发生的风险，通过添加过渡曲线的方式对十字回转轴进行结构优化。本研究选择了4种优化方案(图4)，过渡曲线分别为单圆弧、椭圆圆弧、相异直径圆弧相切和圆弧－直线－圆弧，通过应力分析筛选出最优的过渡曲线

2结果与分析

2．1二自由度回转机构的静力学分析

二自由度回转机构的静力学分析结果见图5。设置载荷与约束，对实体模型进行静力学分析，图5(a)为三维模型载荷施加图。将分析结果以图5(b)应力云图的形式表现，分析色系分布，发现σmax发生在回转轴轴肩处，最大应力σmax=29MPa。45#钢的屈服强度为［σs］=355MPa，由于σmax=291MPa＜［σs］，所以二自由度回转机构的两条回转轴满足所需力学要求，符合基本安全要求。

2．2二自由度回转机构的模态分析

二自由度回转机构的模态分析结果见图6由图6可知，前5阶的固有频率分别为495．25Hz、605．45Hz、784．22Hz、889．37Hz和1125．15Hz。截割头的转速ω截割头=42r/min，切割电机额定转速ω电=1470r/min，计算可得f截割头=ω截割头60=24．5Hz，f电=ω电60=0．7Hz，(3)式中:f截割头为截割头工作振动频率;f电为电动机频率。分析计算结果可得，切割电机与截割头造成的激励频率小于1阶频率。因此，在实际工况下，二自由度回转支撑装置不会与外界激励产生共振，此装置在动力学方面符合生产安全要求，且通过前5阶模态分析可知其满足安全要求，不需要再进行5阶以上的模态分析。

2．3回转轴轴颈的优化设计

为了使回转轴轴颈处应力降低，并提高其结构强度和寿命，利用半查找法和黄金分割点法获得各曲线的圆弧半径，并将数据导入ANSYS软件中，得出不同过渡曲线的最大应力，见表2。从表2可以看出，4种过渡曲线中，圆弧－直线－圆弧的最大应力最小，所以采用圆弧－直线－圆弧曲线进行优化，得到轴的应力云图如图7所示。从图7可以看出，轴颈大部分区域应力分布均匀，达到了优化设计的目的。

3结论

使用Pro/Engineer软件对二自由度回转支撑装置进行三维实体建模，并进行静力学和模态分析，证明了回转支撑装置满足安全要求。同时，利用应力分析结果对回转机构轴颈进行结构优化，得到结论如下:

(1)通过静力学分析，证明了回转支撑装置满足安全要求。

(2)通过模态分析，证明了回转支撑装置满足安全要求。

(3)通过谐波响应分析，证明了在危险情况下组合轴承和回转轴不会出现屈服现象。

(4)过渡曲线为圆弧－直线－圆弧时，轴颈部具有更好的抗应力性能。

参考文献:

［1］武深浩．现代煤矿掘进技术的改进［J］．能源与节能，2016(12):160－161，169．

［2］马源，符世琛，张子悦，等．悬臂式掘进机位姿检测方法研究现状［J］．工矿自动化，2020，46(8):15－20．

［3］刘志斌．掘进机回转机构的受力分析与优化设计［J］．机械管理开发，2019，34(6):35－36，165．

［4］蔡文安，杨兆建，高红斌．悬臂式掘进机回转机构有限元优化研究综述［J］．机械管理开发，2012(5):1－2，5．

［5］周开平．煤矿井下悬臂式掘进机回转机构优化设计［J］．煤炭技术，2021，40(9):177－180．

［6］张理想，黄胤真，区思榜．基于ANSYS的作业装置回转机构的受力分析与设计［J］．装备制造技术，2021(9):77－79．

［7］闫刚．基于ANSYS的悬臂式掘进机回转机构的优化研究［J］．机械管理开发，2019，34(8):13－14．

［8］胡忠兴．EBZ300掘进机回转结构的优化设计［J］．机械研究与应用，2019，32(3):199－201．

［9］王帅．EBZ300型悬臂式掘进机的结构特点和应用［J］．煤矿机械，2015，36(4):174－176．

［10］张睿．160型薄煤层掘进机回转耳架的静力学有限元分析［J］．煤矿机电，2020，41(4):44－46．

［11］梁君，赵登峰．模态分析方法综述［J］．现代制造工程，2006(8):139－141．

作者:庄志忠 单位:福建船政交通职业学院 机械与智能制造学院