EBH—360型掘进机回转台的优化设计及模态分析.docVIP

EBH—360型掘进机回转台的优化设计及模态分析 　　【摘要】本文基于回转台实际工作时的受力情况及相关文献为依据，对回转台进行优化设计，利用有限元分析软件ANSYS进行有限元应力分析和动力学模态分析，证明其结构合理性，从而为生产厂家降低制造成本，提高利润提供理论依据。 　　【关键词】回转台；有限元应力分析；模态分析 　　1.引言 　　回转台是EBH-360型掘进机的重要部件，它的合理结构决定掘进机的工作性能及整机的稳定性，其结构强度、刚度不足将造成截割性能的降低和疲劳断裂。在传统的设计中，回转台的设计主要靠设计经验和经验公式来进行，为了增大回转台的强度，安全系数的选择往往偏大。因而回转台的优化设计将成为必然，它能够为生产厂家降低制造成本、为今后掘进机回转台的生产创造更多的利润[1]。 　　2.回转台结构的优化 　　本文根据回转台实际工作时的受力情况及相关文献可知应力最大位置在回转台与截割臂相连的销轴孔后侧，变形最大位置在和升降液压缸连接的两侧角耳耳环处，但对于不同工况，最大位移会出现在不同侧的耳环处，从而对回转台的结构进行了如下优化： 　　1）在满足铸造的条件下，增大回转台与截割臂相连的销轴孔后侧根部的倒圆角，以及回转台与升降油缸、回转油缸相连的销轴孔后侧的倒圆角，以减少局部极限应力； 　　2）其次将回转台上平面的半径尺寸由715改为700，以减少整体的重量305千克。 　　3.回转台的有限元应力分析 　　本文根据优化后的结构直接在ANSYS中建立回转台的三维模型，为有利于有限元分析，对其进行合理简化，将不必要的小孔、凸台、沉孔、倒圆角等都去掉。选用Solid45单元，采用自适应网格划分，设置单元尺寸长度为40 mm，划分完网格。本文根据回转台工作的实际情况确定两个极限位置：（1）截割臂处于水平位置，向右摆动；（2）右侧截割头受力，截割臂处于垂直力最大位置；最终分析所得的结果如图1、图2， 　　由图1可知，回转台的最大应力为147MPa，位于回转台和升降液压缸连接的耳环处，图2可知，回转台的最大的应力为111MPa，位于回转台和升降液压缸连接的角耳下侧（标MX位置），和液压缸连接的耳环处应力也比较大，但都远小于材料本身的安全许用应力。 　　4.回转台的模态分析 　　掘进机在截割煤岩时，截割头受力复杂，截割载荷变化大，而载荷的落脚点就在回转台上，因此容易引起掘进机回转台较大的振动，从而降低掘进机回转台的使用寿命，影响掘进机的工作可靠性，以至于增加维修工作量，所以对优化后的掘进机回转台的固有频率及振型进行研究显得尤为重要[2]。 　　ANSYS中的模态分析是线性分析，在模态分析中只有线性行为是有效的。任何非线性特性，将被忽略。一个典型的模态分析过程包括：建立有限元模型、加载及模态求解、扩展模态以及观察结果四个步骤。在通用后处理器中可以对结果数据进行列表或图形显示，通过显示结构变形图可以查看扩展的振型，最终分析结果如下[3]： 　　一阶频率为165.16Hz，水平弯曲振型，回转台与左侧升降油缸相连的销轴孔前部变形最大。 　　二阶频率为168.72Hz，水平弯曲振型，回转台与右侧升降油缸相连的销轴孔前部变形最大。 　　三阶频率为320.82Hz，水平弯曲振型，回转台与左侧升降油缸相连的销轴孔前部变形最大。 　　四阶频率为322.74Hz，水平弯曲振型，回转台与右侧升降油缸相连的销轴孔前部变形最大。 　　五阶频率为430.74Hz，弯扭结合振型，回转台与两侧升降油缸相连的销轴孔扭转变形最大，其次是回转台与回转油缸相连的耳板端部，同时都有较大的水平弯曲变形。 　　六阶频率为455.27Hz，垂直弯曲振型，回转台与两侧升降油缸相连的耳板垂直变形最大，其次是回转台与回转油缸相连的耳板端部。 　　七阶频率为575.27Hz，弯扭结合振型，回转台与两侧升降油缸相连的销轴孔扭转变形最大，其次是回转台与回转油缸相连的耳板端部，同时都在水平方向还有较大的弯曲变形。 　　八阶频率为581Hz，垂直弯曲振型，回转台与两侧升降油缸相连的耳板垂直变形最大，且两对耳板弯曲的方向正好相反。 　　九阶频率为802.7Hz，弯扭结合振型，回转台与两侧升降油缸相连的耳板扭转变形最大，其次是回转台与回转油缸相连的耳板端部，同时都还有较大的水平弯曲变形。 　　十阶频率为804.27Hz，弯扭结合振型，回转台的其它部位都有不同程度的扭转变形，且回转台与两侧升降油缸相连的耳板与回转台与回转油缸相连的耳板端部的扭转变形最大，同时回转台与右侧升降油缸相连的耳板还有较大的水平弯曲变形。 　　通过对优化后的回转台进行模态分析得出回转台的固有频率在165.16Hz以上，而大型矿用掘进机的截割头载荷频率的主频段一般在5Hz以下，本文