基于ANSYS的矿用掘进机回转台振动疲劳分析方法

摘    要：掘进机截割过程易受到强冲击载荷而导致回转台产生振动疲劳现象，对作业的可靠性和稳定性影响较大。经分析掘进机回转台的作业原理，依据Palmgram-Miner疲劳判断法则，利用ANSYS仿真软件对回转台振动疲劳情况进行分析。结果表明：回转台X轴向的振动对回转台疲劳损伤影响较大，通过减振能够较好的提升回转台的整体寿命；回转台与油缸连接的4个销轴位置易产生疲劳损坏现象，最小循环载荷为38 965次；仿真结果与现实情况相一致，分析方法具备一定的合理性与可行性，能够作为回转台结构优化和改进的参考依据。

关键词：掘进机;回转台;ANSYS;振动疲劳;

0前言

掘进机是煤炭业机械化高效快速掘进的关键装备之一，承担着截割、装载运输以及操作等诸多任务，适用于多种复杂的工作环境。采掘技术及其装备水平是保障矿企高产稳产的关键措施，也直接着煤矿开采的能力和安全。回转台作为掘进机截割臂运动的关键驱动与承载部件，受到截割力的强冲击载荷作用，易引起结构产生不良振动，导致结构变形、开裂等失效现象，极大的影响着掘进作业的安全性和稳定性。因此，通过分析掘进机回转台作业原理，结合疲劳分析理论和可靠性理论，运用ANSYS系统对回转台振动疲劳进行仿真分析，从而对回转台的使用寿命进行合理化预估，以期进一步提升掘进作业安全性。同时，也为回转台及相关结构的优化改进提供了新的技术支持。

1 回转台作业原理与疲劳分析方法

矿用掘进机是当前煤矿机械化智能掘进的关键装备，主要由截割部、行走机构、回转台以及冷却机构等部分所构成，能够满足井下复杂环境的煤矿开采要求。通过各油缸的伸缩驱使回转台动作，进而带动截割臂旋转和抬高，使截割头针对工作面不同方位进行截割。回转台是驱使截割臂动作的基础装置，对作业回转角以及采掘面积的影响较大。掘进机回转台动作示意图如图1所示。

图1 掘进机回转台动作示意图 

1.作业面2.截割头3.回转台4.驱动油缸

在掘进机作业过程中，由于工作介质的差异性和不均匀性，回转台容易受复杂应力的影响易引起不规则的振动，致使应力集中区域发生线性疲劳破坏现象。目前，研究线性疲劳累积损伤的方法多采用Palmgram-Miner判断法则。回转台作业时，不同应力水平m循环数ni造成的回转台总损伤值

式中T———不同应力水平所对应的回转台寿命。

当E=1时，表示发生疲劳损坏。

2 回转台材料S-N曲线

回转台疲劳强度受到材料名义压力的影响较大。在一定循环特性下，标准试件的应力与疲劳寿命之间关系一般采用S-N曲线进行表达，两者之间的关系满足

式中N———载荷循环次数；

σ———材料名义压力；

α,β———材料系数。

经计算，可得回转台所用Q235材料的S-N曲线,如图2所示。

图2 回转台材料S-N曲线图  

根据图2可知，回转台材料的名义压力与载荷循环次数之间呈反比关系，材料疲劳寿命随应力的降低而提升。结合仿真要求，载荷试样过程中，若Q235材料经过107次循环仍未发生失效现象，则可认定该条件下试样材料的寿命为无限大。

3 实验

3.1 实验准备

以掘进机的实际截割工况为例，展开回转台振动疲劳进行分析。通过UG软件构建回转台的三维模型，并导入至ANSYS仿真软件中，从而建立回转台的仿真模型。在软件中，回转台设定为实体单元类型，材料选用Q235，工作面和地板选为岩石，回转台与液压缸以及截割臂之间的接触均设置为绑定接触。并根据回转台的结构特点，结合瞬态动力学的分析结果，采用四面体网格类型对模型进行网格划分，划分精度20 mm。划分结果如图3所示。

图3 回转台网格划分结果图  

整个仿真实验共分为2个阶段，第1阶段从起始位置开始水平向右进行截割，持续15 s，随后进入第2阶段，垂直向上截割，持续7 s。并依据现实截割情况，分别对回转台的X轴向、Y轴向以及Z轴向施加相应的分力。在仿真实验中，所施加外载荷的方向与实际截割阻力的方向存在差异。水平截割时，回转台Y轴向所受分力-478.6 kN。15 s后，截割状态由水平转变为垂直，截割阻力方向发生了90°的转变，需对回转台Y轴向和Z轴向的分力进行调整。具体设置数值如表1所示。

表1 回转台受力情况 

3.2 仿真结果及分析

(1）回转台瞬态动力学分析

对回转台进行瞬态动力学分析的目的在于分析结构随着时间变化所产生的受迫振动响应和应力，从而获取易故障位置，降低ANSYS仿真计算量，确保疲劳分析结果的合理性和准确性。回转台振动源主要来自于掘进机截齿作业中的瞬时冲击载荷，且具备非线性因素，为了便于软件收敛和求解，首先对回转台频谱进行分析。回转台三向振动加速度如图4所示。

通过分析图4可知，回转台振动效果受自身固有频率的影响较大，当频率为24、53、127 Hz以及141 Hz时，幅值峰值较高，振动较为剧烈。回转台的三向振动加速度大小关系为X轴向>Z轴向>Y轴向，表明X轴向的振动对回转台的疲劳寿命影响较大，因此，对掘进机在X轴向上进行减振能够进一步提高回转台的整体寿命。

(2）回转台应力分析

回转油缸缸筒的伸出速度：第0～15 s时，设为10 mm/s，第16～22 s时，设为0。升降油缸的伸出速度：第0～15 s时，设为0，第16～22 s时，设为10 mm/s。利用ANSYS对回转台部分应力大小及分布进行求解，所得结果如图5所示。

图4 回转台三向振动加速度图

图5 回转台应力云图  

由仿真结果可知，掘进机水平截割工况中，回转台最大受力为192.78 MPa，发生在第15 s水平截割角度达到最大时，位置位于升降油缸与回转台的连接销轴附近。垂直截割工况中，回转台最大受力为416.04 MPa，发生时间与水平截割一致，位置位于升降油缸连接销轴附近。仿真结果与现实情况相一致，表明了文中方法具备良好的合理性与可行性。

(3）回转台疲劳寿命分析

将回转台载荷谱文件与应力分析结果导入至ANSYS系统的的根目录中，在可视化图形界面拖入相应的疲劳分析模块，通过模块连接并设置相应参数，以确定回转台运行所需触发的事件及载荷。而后，在系统疲劳求解器模块中设置材料的S-N曲线以及求解方式，经ANSYS求解即可获取回转台疲劳寿命的预估结果。如图6所示。

图6 回转台疲劳寿命预估结果图  

分析图6可知，掘进机回转台与油缸连接的4个销轴位置为深色，容易产生疲劳损坏现象，与应力云图分析结果相一致。整个回转台的最小载荷循环次数为38 965次。根据掘进机实际作业情况，每日平均运行24 h，单次循环用时1.85 h。经计算可得，理想条件下回转台寿命约为8.22 a。

4 结语

以掘进机回转台振动疲劳为研究方向，利用简化的回转台运动模型，结合Palmgram-Miner疲劳判断法对回转台疲劳寿命进行分析。通过UG软件构建回转台的3D模型，利用ANSYS对回转台的三向振动加速度以及所受应力情况进行仿真。结果表明，回转台与油缸连接销轴位置的载荷循环次数较少，容易产生疲劳损坏现象，预测寿命与实际情况较为一致。从而证明了基于ANSYS的矿用掘进回转台振动疲劳分析方法的合理性与可行性，能够作为回转台的结构优化与改进的参考依据。

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文章来源：煤炭技术