MG400/930-WD 型采煤機(jī)搖臂行星輪架結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

李曉晉

（山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 交城 030500）

引言

采煤機(jī)作為煤炭開(kāi)采過(guò)程中的重要裝置，其工作的可靠性不僅關(guān)系著采煤機(jī)的開(kāi)機(jī)率，還與煤礦企業(yè)的產(chǎn)能和效率息息相關(guān)，現(xiàn)已引起了煤礦行業(yè)的高度重視[1-3]。搖臂作為采煤機(jī)的主要組成部分，其工作環(huán)境惡劣、受力情況復(fù)雜、故障率較高，尤其是行星輪架表現(xiàn)的尤為突出[4]。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的出現(xiàn)，為采煤機(jī)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)的手段，可以大大降低關(guān)鍵零部件的分析改進(jìn)的成本，應(yīng)用前景較為光明[5-6]?；诖耍瑧?yīng)用有限元仿真方法開(kāi)展對(duì)MG400/930-WD 型采煤機(jī)搖臂行星輪架結(jié)構(gòu)分析工作，找出其結(jié)構(gòu)存在的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 采煤機(jī)搖臂行星輪架結(jié)構(gòu)

采煤機(jī)搖臂中的行星輪架是行星輪結(jié)構(gòu)的重要支撐部件，是各行星輪能夠在指定位置工作的重要保障，同時(shí)行星輪架也傳遞來(lái)自驅(qū)動(dòng)電機(jī)給予的工作扭矩，因此，行星輪架必須具有足夠的強(qiáng)度才能保證采煤機(jī)的可靠運(yùn)行。行星輪架中間位置的兩側(cè)板上支撐著四根行星輪軸，側(cè)板之間為中空開(kāi)口結(jié)構(gòu)，用于固定行星輪系中的太陽(yáng)輪和行星輪，側(cè)板與側(cè)板之間通過(guò)弧形板連接。側(cè)板外側(cè)均為空心軸，能夠固定調(diào)心滾子軸承，用于支撐行星輪架。因采煤機(jī)滾筒尺寸的約束，行星輪系工作空間有限，導(dǎo)致行星輪架的外徑尺寸較小，因此只有自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高才能滿足行星輪系的可靠工作，保證煤礦企業(yè)的產(chǎn)量和效率。

2 MG400/930-WD 型采煤機(jī)搖臂行星輪架存在問(wèn)題

MG400/930-WD 型采煤機(jī)搖臂行星輪架的服役條件惡劣、受力情況較為復(fù)雜，正常工作情況下由于其材料性能較高，不會(huì)出現(xiàn)任何故障。但是由于煤層地質(zhì)條件存在差異，采煤過(guò)程中搖臂受力存在波動(dòng)，當(dāng)電機(jī)負(fù)荷達(dá)到滿載工況時(shí)，由于行星輪架設(shè)計(jì)過(guò)程中安全系數(shù)較高，依然不會(huì)出現(xiàn)行星輪架破壞的問(wèn)題。一旦遇到硬度較高的煤層，采煤機(jī)搖臂將會(huì)承受很大的載荷，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)載工作，此時(shí)行星輪架結(jié)構(gòu)將會(huì)承受最大的靜載荷，同時(shí)也會(huì)伴隨開(kāi)采過(guò)程中的動(dòng)載荷，此時(shí)行星輪架極易出現(xiàn)強(qiáng)度不足而被破壞的問(wèn)題，必須引起高度重視。

3 有限元仿真分析

3.1 有限元模型的建立

MG400/930-WD 型采煤機(jī)搖臂行星輪架的結(jié)構(gòu)組成包括兩端的中空軸、中間位置的支承側(cè)板和連接兩個(gè)側(cè)板的圓弧形框架。行星輪軸安裝于兩個(gè)支承側(cè)板中間，四根行星輪軸間隔90°均勻分布，是行星輪系的功率輸入端，行星輪架花鍵軸一側(cè)為功率輸出端。中間兩側(cè)板與空心軸、中間兩側(cè)板與圓弧形框架的過(guò)渡連接位置具有較大的結(jié)構(gòu)突變，行星輪安裝于兩側(cè)板之間，此處對(duì)行星輪架中間部位進(jìn)行重點(diǎn)分析。應(yīng)用SolidWorks 軟件繪制了行星輪架的三維模型，對(duì)其花鍵及影響計(jì)算結(jié)果較小的倒角和圓角進(jìn)行了簡(jiǎn)化，為了仿真加載更加真實(shí)，同時(shí)繪制了行星輪軸，并完成了裝配。

導(dǎo)出.igs 文件之后導(dǎo)入ANSYS 仿真軟件進(jìn)行前處理，首先對(duì)行星輪架進(jìn)行材料屬性的設(shè)置，其材料牌號(hào)為42CrMo，材料的密度為7 850 kg/m2，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。完成材料屬性的編輯之后即可進(jìn)行單元格的劃分，根據(jù)行星輪架的結(jié)構(gòu)及受力特性，確定單元格類型選擇solid92 實(shí)體單元，為了提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，采用自由劃分方式完成了行星輪架及行星輪軸的網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖1、圖2 所示。

圖1 行星輪架有限元模型

圖2 行星輪軸有限元模型

3.2 載荷及邊界條件處理

行星輪架工作時(shí)的受力情況較為復(fù)雜，不僅承受著軸承的支承力，還要承受扭矩和彎矩的作用，結(jié)合采煤機(jī)的工作現(xiàn)狀，受力分析得出行星輪架中間部位主要承受電機(jī)輸出的扭矩，因此為了簡(jiǎn)化有限元仿真分析過(guò)程，提高計(jì)算效率，本次仿真僅考慮工作扭矩的作用。行星輪架所受的扭矩載荷根據(jù)實(shí)際情況以力的形式施加于行星輪軸，在行星輪架花鍵位置施加周向約束，限制其轉(zhuǎn)動(dòng)。仿真分析過(guò)程中考慮行星輪架的兩種工況，第一是電機(jī)滿載工況，第二是電機(jī)過(guò)載工況。

3.3 仿真結(jié)果分析

完成行星輪架和輪軸仿真模型的前處理之后應(yīng)用ANSYS 自帶求解器進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)合行星輪架的結(jié)構(gòu)及材料特性，在計(jì)算結(jié)果中提取以第四強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)的Von-Mises 等效應(yīng)力進(jìn)行分析。通過(guò)參《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得到42CrMo 的許用應(yīng)力[σ]為440 MPa。

3.3.1 電機(jī)滿載工況

行星輪架在電機(jī)滿載工況下的仿真計(jì)算結(jié)果如圖3 所示，由圖3 中行星輪架及輪軸的應(yīng)力云圖可以看出，最大的應(yīng)力為402 MPa，應(yīng)力集中位置出現(xiàn)在行星輪架內(nèi)側(cè)板與星輪軸配合的小孔位置；同時(shí)側(cè)板與空心軸過(guò)渡位置也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值為396 MPa，如圖4 所示。以上應(yīng)力集中位置的最大應(yīng)力雖然均未超過(guò)行星輪架材料的許用應(yīng)力，但是與材料的許用應(yīng)力較為接近，工作過(guò)程中存在安全隱患。

3.3.2 電機(jī)過(guò)載工況

圖3 行星輪架及輪軸應(yīng)力（Pa）云圖

圖4 側(cè)板與空心軸過(guò)渡位置應(yīng)力（Pa）云圖

行星輪架在電機(jī)過(guò)載工況下的仿真計(jì)算結(jié)果如圖5 所示，由圖5 中行星輪架及輪軸的應(yīng)力云圖可以看出，最大的應(yīng)力為426 MPa，應(yīng)力集中位置出現(xiàn)在行星輪架內(nèi)側(cè)板與星輪軸配合的小孔位置。同時(shí)內(nèi)側(cè)板與中空軸過(guò)渡位置也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值為411 MPa，見(jiàn)圖6。以上應(yīng)力集中位置的最大應(yīng)力雖然均未超過(guò)行星輪架材料的許用應(yīng)力，但是與材料的許用應(yīng)力很接近，工作過(guò)程中很可能出現(xiàn)因別破壞而失效的事故。

圖5 行星輪架及輪軸應(yīng)力（Pa）分布云圖

圖6 內(nèi)側(cè)板與空心軸過(guò)渡位置應(yīng)力（Pa）云圖

4 優(yōu)化改進(jìn)

4.1 優(yōu)化改進(jìn)措施

通過(guò)對(duì)行星輪架兩種工況的結(jié)構(gòu)分析可以看出，在電機(jī)過(guò)載工況下，行星輪架所受的最大應(yīng)力與材料的許用應(yīng)力很接近，搖臂行星輪架工作過(guò)程中會(huì)承受沖擊載荷，最大載荷下所受的應(yīng)力一旦超出材料的許用應(yīng)力，行星輪架極有可能出現(xiàn)破壞失效，導(dǎo)致采煤機(jī)事故。為了提高采煤工作的可靠性，有必要對(duì)其應(yīng)力集中的位置進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。結(jié)合行星輪架仿真仿真分析結(jié)果及應(yīng)力集中的位置，提出以下改進(jìn)：將內(nèi)側(cè)板的厚度增加3 mm，同時(shí)將內(nèi)側(cè)板與空心軸過(guò)渡位置設(shè)計(jì)出R=1.5 mm 的圓角，以降低過(guò)渡位置的應(yīng)力集中，進(jìn)而提高行星輪架工作的安全性和可靠性。

4.2 優(yōu)化改進(jìn)結(jié)果

根據(jù)行星輪架結(jié)構(gòu)的進(jìn)行改進(jìn)方案，完成了三維模型的改進(jìn)，之后重新導(dǎo)入ANSYS 仿真分析軟件進(jìn)行Von-Mises 等效應(yīng)力分析，由于電機(jī)過(guò)載相較于電機(jī)滿足行星輪架承受的應(yīng)力較大，因此，此處的改進(jìn)分析僅針對(duì)電機(jī)過(guò)載的情況進(jìn)行驗(yàn)證，目的是降低行星輪架的最大應(yīng)力，避免較大的應(yīng)力集中，提高行星輪架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

行星輪架在電機(jī)過(guò)載工況下的仿真計(jì)算結(jié)果如圖7 所示，由圖7 中行星輪架及輪軸的應(yīng)力云圖可以看出，最大的應(yīng)力為346 MPa，應(yīng)力集中位置出現(xiàn)在行星輪架內(nèi)側(cè)板與星輪軸配合的小孔位置。同時(shí)內(nèi)側(cè)板與中空軸過(guò)渡位置也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值為312 MPa。相較于改進(jìn)之前的行星輪架及輪軸的分析結(jié)果，最大應(yīng)力值降低了約19%，側(cè)板與中空軸過(guò)渡位置的應(yīng)力集中降低約24%，由此可見(jiàn)改進(jìn)效果較為顯著，大大提高了行星輪架的可靠性。通過(guò)該方案改進(jìn)之后的行星輪架連續(xù)運(yùn)行的半年時(shí)間內(nèi)，未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形及破壞的問(wèn)題，大大降低了采煤機(jī)維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了采煤機(jī)的工作可靠性，為企業(yè)創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

行星輪架作為采煤機(jī)搖臂中的關(guān)鍵部件，其工作的可靠性至關(guān)重要。以MG400/930-WD 型號(hào)采煤機(jī)搖臂行星輪架為研究對(duì)象，分析了當(dāng)前行星輪架在電機(jī)滿載工況和電機(jī)過(guò)載工況下的Von-Mises 等效應(yīng)力，得到兩側(cè)板與輪軸配合位置的圓孔和側(cè)板與中空軸過(guò)渡位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。通過(guò)側(cè)板厚度增加3 mm 和設(shè)置R=1.5 mm 過(guò)渡圓角的方法完成了行星輪架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，改進(jìn)之后的行星輪架最大應(yīng)力值降低了約19%，側(cè)板與中空軸過(guò)渡位置的應(yīng)力集中降低約24%。

圖7 改進(jìn)后的行星輪架及輪軸應(yīng)力（Pa）分布云圖

圖8 改進(jìn)后的內(nèi)側(cè)板與中空軸過(guò)渡位置應(yīng)力（Pa）云圖

（編輯：趙婧）