新型薄煤層采煤機(jī)行星架的可靠性分析

新型薄煤層采煤機(jī)行星架的可靠性分析

孫桂英1，陳根1，步躍躍2

(1.兗礦東華重工有限公司機(jī)電裝備制造分公司，山東鄒城273500；2.兗礦東華重工有限公司采掘裝備制造分公司，山東鄒城273500)

摘要：研究通過Pro/E、ANSYS、ADAMS軟件建立新型薄煤層采煤機(jī)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型，再利用協(xié)同仿真技術(shù)對(duì)關(guān)鍵零部件行星架在五種工況下的可靠性進(jìn)行仿真分析。研究結(jié)果表明，行星架結(jié)構(gòu)滿足新型薄煤層采煤機(jī)可靠性設(shè)計(jì)要求。本次研究的分析方法為采煤機(jī)及其他零部件可靠性分析提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:采煤機(jī)行星架剛?cè)狁詈峡煽啃苑抡娣治?/p>

中圖分類號(hào)：TD421文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：孫桂英(1975- )，女，山東臨沂人，助理工程師，主要從事煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2015-03-30

Reliability analysis of planet carrier of a new thin seam shearer

SUN Guiying，CHEN Gen，BU Yueyue

Abstract:In this paper, the Pro/E, ANSYS, ADAMS are used to establish the Rigid-flex coupled virtual prototype of the new Shearer in Thin Coal Seam. The simulation analysis on the reliability of the key components planet carrier under five kinds of working conditions is performed. In this process the collaborative simulation technology is adopted. The research results show that the planet carrier structure satisfies the reliability of the design requirements of new thin coal seam shearer. The analysis method provides theoretical basis for the reliability analysis of the shearer and other components.

Keywords:shearer; planet carrier; rigid-flex coupled; reliability; simulation analysis

0引言

薄煤層采煤機(jī)是一個(gè)集機(jī)、電、液為一體的復(fù)雜系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)薄煤層綜采工作面機(jī)械化、自動(dòng)化開采作業(yè)的主要設(shè)備之一。由于工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，在煤層復(fù)雜力的作用下，很容易發(fā)生故障，導(dǎo)致整個(gè)采煤工作中斷，給生產(chǎn)造成巨大的損失。高產(chǎn)高效綜采技術(shù)的迅速發(fā)展，迫切要求采煤機(jī)具有較高的可靠性。因此，在探究采煤機(jī)工作的可靠性時(shí)，各薄弱環(huán)節(jié)的變形不能忽略，應(yīng)對(duì)采煤機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行可靠性研究。而在物理樣機(jī)上進(jìn)行有關(guān)采煤過程的試驗(yàn)既困難又有很大風(fēng)險(xiǎn)且代價(jià)昂貴。

結(jié)合兗礦集團(tuán)機(jī)電設(shè)備制造廠自行研發(fā)設(shè)計(jì)的新式MG2×70/325型薄煤層采煤機(jī)，研究采用系統(tǒng)多領(lǐng)域建模與協(xié)同仿真的虛擬樣機(jī)技術(shù)[1]，以該采煤機(jī)關(guān)鍵部件行星架為分析對(duì)象，模擬采煤機(jī)在實(shí)際工作中的多種工況進(jìn)行仿真分析，校核部件強(qiáng)度、剛度可靠性，為采煤機(jī)設(shè)計(jì)的可靠性提供理論依據(jù)。

1研究方法

此次研究將采用剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)的建模理論和方法，通過三維參數(shù)化CAD軟件Pro/E、機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS建立MG2×70/325型薄煤層采煤機(jī)整機(jī)剛性模型，然后利用有限元分析軟件ANSYS建立行星架結(jié)構(gòu)的柔性模型替換原剛性模型中該結(jié)構(gòu)件，進(jìn)而建立起剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型，再根據(jù)協(xié)同仿真技術(shù)，模擬采煤機(jī)在實(shí)際工作中的工況，對(duì)關(guān)鍵零部件行星架進(jìn)行可靠性的仿真分析。

1.1采煤機(jī)主要結(jié)構(gòu)組成

設(shè)計(jì)的MG2×70/325型薄煤層采煤機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件種類繁多，按照子部件進(jìn)行劃分，組成采煤機(jī)的主要子部件如圖1所示。其中研究對(duì)象行星架屬于左右搖臂內(nèi)的子部件。

圖1　采煤機(jī)整機(jī)主要子部件

1.2基于Pro/E的采煤機(jī)三維實(shí)體建模及裝配

在進(jìn)行剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)的建模前，首先要建立采煤機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的零部件三維實(shí)體模型，然后進(jìn)行裝配。在虛擬裝配中有三種方式，即：由底向上的裝配方法，由頂向下的裝配方法，混合裝配方法[2]。結(jié)合薄煤層采煤機(jī)的實(shí)際零部件情況，在整個(gè)裝配過程中采用由底向上的裝配設(shè)計(jì)方案。

采煤機(jī)三維模型裝配完成以后，需要對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢查，以確保裝配體的各零部件以及子組件之間的間隙適當(dāng)，避免各零部件之間產(chǎn)生干涉。利用Pro/E軟件的分析功能，對(duì)完成的虛擬裝配體進(jìn)行全局干涉檢查。只有裝配正確，后續(xù)仿真才能可靠。如圖2所示在Pro/E環(huán)境中進(jìn)行的全局干涉檢查操作。通過干涉檢查發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在問題，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，確定采煤機(jī)設(shè)計(jì)理論上的正確性。

圖2　基于Pro/E環(huán)境的全局干涉檢查圖

1.3采煤機(jī)剛性多體系統(tǒng)模型的建立

利用Pro/E與ADAMS之間的無縫鏈接接口MECHANISM/Pro將經(jīng)檢查后無干涉的采煤機(jī)實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS中。對(duì)導(dǎo)入的剛體模型進(jìn)行材料的定義，完成約束、接觸、驅(qū)動(dòng)的添加，經(jīng)模型驗(yàn)證無冗余后，對(duì)剛體模型進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證其運(yùn)動(dòng)關(guān)系是否正確。如圖3所示所建立的采煤機(jī)剛體多體系統(tǒng)模型。

圖3　ADAMS下采煤機(jī)剛體模型圖

1.4采煤機(jī)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型的建立

在確保剛體模型正確后，利用ANSYS將采煤機(jī)行星架離散成細(xì)小的網(wǎng)格，并進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，然后將其保存為模態(tài)中性文件(MNF)。以中性文件生成的行星架模型為柔性體，直接讀取到ADAMS中僅替換整機(jī)模型中剛性體行星架結(jié)構(gòu)后[3]，形成剛?cè)狁詈系牟擅簷C(jī)虛擬樣機(jī)，如圖4所示。通過模型校驗(yàn)，確認(rèn)無誤后，再進(jìn)行剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)仿真分析。

圖4　ADAMS下采煤機(jī)整機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

2整機(jī)瞬時(shí)負(fù)載的模擬

由于煤層賦存條件復(fù)雜，采煤機(jī)在截割煤壁時(shí)，會(huì)受到多變的瞬時(shí)載荷的沖擊，很容易導(dǎo)致?lián)u臂殼體、行星組件、軸承等關(guān)鍵零部件的損壞，影響采煤機(jī)的正常工作[4]。整機(jī)瞬時(shí)負(fù)載模擬，就是模擬采煤機(jī)在工作狀態(tài)下負(fù)載情況[5]。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，薄煤層采煤機(jī)的整機(jī)主要負(fù)載源來自滾筒。

薄煤層采煤機(jī)在正常工作過程中，主要受到來自于煤壁的截割阻力和牽引阻力，布置在滾筒外側(cè)的截齒還要受到側(cè)向力作用，此外裝煤反力也對(duì)滾筒螺旋葉片產(chǎn)生影響；當(dāng)滾筒的截齒截入煤壁時(shí)，滾筒還將受到軸向力的作用?？紤]到受力的多重作用，采煤機(jī)滾筒瞬時(shí)負(fù)載計(jì)算具有復(fù)雜性、非線性、時(shí)變性和強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)。本次研究根據(jù)對(duì)煤層賦存條件(兗礦集團(tuán)楊村煤礦16、17層)以及采煤機(jī)工作情況的分析，對(duì)工況為截全煤、截割包裹體[6-7]、截割頂、底板，牽引速度v分別取4 m/min、2.5 m/min和0.5 m/min，堅(jiān)固性系數(shù)f分別取1.3、4、9(包裹體)、8.5(頂、底板)，包裹體大小取200×500(單位：mm)等五種工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，設(shè)計(jì)仿真工況如表1所示。

表1

仿真工況

根據(jù)蘇聯(lián)學(xué)者提出的破煤理論[8]，結(jié)合本產(chǎn)品的邊界參數(shù)及計(jì)算原則對(duì)滾筒瞬時(shí)負(fù)載進(jìn)行計(jì)算。通過采用Matlab的文件操作函數(shù)生成滾筒瞬時(shí)負(fù)載的文本，導(dǎo)入ADAMS后將文本數(shù)據(jù)進(jìn)行定義，實(shí)現(xiàn)基于虛擬樣機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜截割負(fù)載的施加問題[9]。根據(jù)采煤機(jī)螺旋滾筒的工況，利用數(shù)學(xué)模型可推導(dǎo)出不同工況下瞬時(shí)負(fù)載的文本，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同工況下對(duì)MG2×70/325型薄煤層采煤機(jī)的行星架的可靠性分析。

3各工況下行星架可靠性仿真分析

根據(jù)行星架的材料42 CrMo得知其屈服強(qiáng)度為998 MPa，取安全系數(shù)為1.859，則行星架的許用應(yīng)力為536.8478 MPa。

3.1工況Ⅰ下?lián)u臂行星架仿真結(jié)果分析

該工況下，通過ADAMS的計(jì)算行星架的應(yīng)力最大值為138.05 MPa，未超過許用應(yīng)力范圍。該工況下行星架是可靠的。

3.2工況Ⅱ下?lián)u臂行星架仿真結(jié)果分析

該工況下，通過ADAMS的計(jì)算行星架的應(yīng)力最大值為254.63 MPa，雖未超過許用應(yīng)力范圍，但應(yīng)力值較大。圖5所示該工況下行星架的等效應(yīng)力云圖。從應(yīng)力云圖可知在截割較硬全煤層時(shí)行星架的應(yīng)力基本集中在行星架與方頭連接的花鍵處。通過改變顯示模態(tài)變形的比例系數(shù)可對(duì)柔性件的變形進(jìn)行等值的放大，以便于觀察。圖6為在該工況下許用應(yīng)力放大500倍變形等值圖，由變形圖可知行星架主要發(fā)生了彎曲和扭轉(zhuǎn)的組合變形。

圖5　工況Ⅱ下應(yīng)力云圖　　　圖6　工況Ⅱ下變形云圖

3.3工況Ⅲ下?lián)u臂行星架仿真結(jié)果分析

分析該工況下，通過ADAMS計(jì)算行星架的應(yīng)力最大值為193.9245 MPa，未超過許用應(yīng)力范圍。

圖7所示最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力與時(shí)間曲線圖，可知達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)刻為0.579 s。從圖7可以看到最大應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)載加載開始的1 s內(nèi)，隨著時(shí)間推移，應(yīng)力曲線一直處于上下波動(dòng)情況，可知行星架在該工況下震動(dòng)比較劇烈，但應(yīng)力值都未超過193.9245 MPa。行星架在工況下基本可靠。

圖7　工況Ⅲ下最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)應(yīng)力曲線圖

3.4工況Ⅳ搖臂行星架仿真結(jié)果分析

該工況下，通過ADAMS的計(jì)算，行星架的應(yīng)力最大值為158.7637 MPa，未超過許用應(yīng)力范圍。

圖8所示該工況下行星架的等效應(yīng)力云圖。從應(yīng)力云圖可知行星架的應(yīng)力基本集中在花鍵軸肩處。圖9為在該工況下應(yīng)力放大500倍等值變形圖，變形部位主要集中在對(duì)應(yīng)應(yīng)力集中位置處。

圖8　工況Ⅳ下應(yīng)力云圖　　圖9　工況Ⅳ下變形云圖

3.5工況Ⅴ下?lián)u臂行星架仿真結(jié)果分析

該工況下，通過ADAMS的計(jì)算，行星架的應(yīng)力最大值為115.9781 MPa，未超過許用應(yīng)力范圍，強(qiáng)度富裕較大。圖10所示該工況下行星架的等效應(yīng)力云圖，應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在花鍵軸肩處。圖11為在該工況下應(yīng)力放大500倍變形等值圖，變形位置主要集中在花鍵過渡位置處，行星齒輪腔室位置也發(fā)生變形。

圖10　工況Ⅴ下應(yīng)力云圖圖11　工況Ⅴ下變形云圖

4結(jié)論

由表2中五種工況的仿真結(jié)果可見，在各工況下行星架的最大主應(yīng)力(Von Mises)均未超出其許用應(yīng)力。

表2

五種工況下行星架的仿真結(jié)果

行星架作為采煤機(jī)行星傳動(dòng)的關(guān)鍵零件，其關(guān)鍵部位由于承受來自滾筒的力和截割力矩而成為應(yīng)力集中區(qū)域。在工況為截全煤、截割頂、底板時(shí)，最大應(yīng)力時(shí)刻均為開始工作的瞬時(shí)，當(dāng)截割包裹體時(shí)應(yīng)力值波動(dòng)幅度較大。從強(qiáng)度及剛度可靠性仿真分析可知，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的行星架結(jié)構(gòu)滿足使用要求。

相對(duì)于物理樣機(jī)上進(jìn)行有關(guān)采煤可靠性的過程試驗(yàn)，采用新型薄煤層采煤機(jī)剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的研究分析方法，具有成本低、風(fēng)險(xiǎn)低、時(shí)間短等特點(diǎn)。同時(shí)能在研發(fā)設(shè)計(jì)階段完成可靠性分析，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。此外，文章研究?jī)?nèi)容也為分析MG2×70/325型薄煤層采煤機(jī)整機(jī)及其他關(guān)鍵零部件的可靠性提供參考依據(jù)。

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