基于ANSYS 的煤礦JD-1 絞車二級(jí)行星架結(jié)構(gòu)性能研究

王瑞卿

（山西大同永定莊煤業(yè)公司， 山西 大同 037024）

引言

礦用絞車作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，由于其操作方便、作業(yè)效率高，已成為煤礦開采中不可或缺的重要設(shè)備[1]。由于井下環(huán)境的惡劣性，礦井中經(jīng)常會(huì)有煤石掉落沖擊絞車設(shè)備，加上絞車的長(zhǎng)負(fù)荷和超長(zhǎng)時(shí)間的提升作業(yè)，使得絞車經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、局部開裂、磨損嚴(yán)重、控制誤操作等失效現(xiàn)象，其中設(shè)備中的二級(jí)行星架關(guān)鍵部件出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)失效問(wèn)題尤為突出[2]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006 年，湖南湘中煤礦井因絞車閘皮老化和行星架結(jié)構(gòu)變形失效，造成了1 人死亡3 人重傷；2013 年，甘肅長(zhǎng)征煤礦由于絞車二級(jí)行星架軸套磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致了1 人卷入絞車而死亡對(duì)絞車中二級(jí)行星架進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究，成為提升絞車作業(yè)效率的重要舉措。因此，對(duì)絞車中二級(jí)行星架進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究，成為提升絞車作業(yè)效率的重要舉措[3]。以JD-1 絞車中二級(jí)行星架為分析對(duì)象，開展了基于ANSYS 的二級(jí)行星架結(jié)構(gòu)性能研究分析，并提出了行星架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施。這對(duì)提升行星機(jī)架的使用壽命，保障設(shè)備的高效運(yùn)行具有重要意義。

1 絞車結(jié)構(gòu)組成分析

礦用絞車是礦井提升系統(tǒng)中的動(dòng)力裝置，負(fù)責(zé)給礦井中貨物運(yùn)輸、人員升降、關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)輸提供足夠的運(yùn)輸動(dòng)力。目前，市場(chǎng)上應(yīng)用提升絞車、回柱絞車、運(yùn)輸絞車、調(diào)度絞車等較多，其中，又以運(yùn)輸絞車、調(diào)度絞車應(yīng)用較為廣泛。礦用絞車的結(jié)構(gòu)組成基本相同，主要包括電動(dòng)機(jī)、滾筒、離合閘、制動(dòng)閘、閘皮、二級(jí)行星架、鋼絲繩、變速箱等部件[4]，其結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，而大部分絞車均具有一定的抗爆性。整個(gè)絞車的簡(jiǎn)單工作原理為：首先通過(guò)交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，將動(dòng)力通過(guò)聯(lián)軸器傳遞至圓錐齒輪上；其次齒輪嚙合過(guò)程中，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況的不同使用需求，通過(guò)變速箱進(jìn)行高速檔和低速擋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；最后在圓柱齒輪上進(jìn)行匯總并通過(guò)輸出軸進(jìn)行動(dòng)力輸出，經(jīng)過(guò)帶動(dòng)鋼絲繩作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物或人員的上下升降作用[5]，其作業(yè)原理圖如圖2 所示。

2 行星架仿真模型建立

2.1 行星架三維模型建立

由于JD-1 絞車為煤礦開采中常用的調(diào)度絞車，為掌握其設(shè)備中二級(jí)行星架在使用中的結(jié)構(gòu)性能情況，采用了Proe 軟件，對(duì)其進(jìn)行了三維模型建立。在建模中，主要對(duì)行星架上的較小圓角、倒角、圓孔等非關(guān)鍵特征進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，僅保留了行星架的關(guān)鍵特征，最終按照1∶1 的模型比例，完成了二級(jí)行星架的三維模型建立，如圖3 所示。

圖1 絞車結(jié)構(gòu)組成圖

圖2 絞車動(dòng)力傳遞原理圖

圖3 二級(jí)行星架三維模型圖

2.2 行星架仿真模型建立

在完成行星架的三維模型建立后，將其ANSYS軟件中，對(duì)其進(jìn)行仿真模型建立。在該軟件中，首先對(duì)其進(jìn)行布爾網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元采用了solid 實(shí)體單元，網(wǎng)格類型為六面體，網(wǎng)格大小設(shè)置為12 mm，如圖4 所示。同時(shí)，由于行星架在實(shí)際使用中采用的是Q235 材料，故在軟件中，將其材料設(shè)置為了Q235，屈服強(qiáng)度為235 MPa[6]，材料的主要參數(shù)如表1 所示。另外，根據(jù)行星架的實(shí)際安裝特點(diǎn)，將其左板進(jìn)行了固定約束，對(duì)右板及階梯軸進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)約束，以使其符合實(shí)際工況條件。通過(guò)設(shè)置防止時(shí)間及其他參數(shù)，完成了行星架的仿真模型建立。

圖4 二級(jí)行星架網(wǎng)格劃分圖

表1 Q235 材料主要參數(shù)

3 行星架結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 應(yīng)力變化分析

圖5 為二級(jí)行星架的應(yīng)力變化圖。通過(guò)分析可知，行星架整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布相對(duì)不均勻，整體出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力集中出現(xiàn)在行星架左板及延伸止口上，應(yīng)力值達(dá)到了273.27 MPa，超過(guò)了其材料的23 MPa 屈服強(qiáng)度，且在左右板之間的支撐筋板也出現(xiàn)了相對(duì)較大的應(yīng)力集中，其值達(dá)到了223.5 MPa；而右板及右端階梯軸上的應(yīng)力值則相對(duì)較低。分析其原因?yàn)樾行羌茏蟀逵捎谥苯优c絞車機(jī)架進(jìn)行連接，故在其作業(yè)時(shí)受到了來(lái)自機(jī)架的較大扭轉(zhuǎn)作用力作用，扭轉(zhuǎn)載荷率先傳遞至行星架左板上，并逐步通過(guò)中間支撐筋板傳遞至右板。導(dǎo)致行星架出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由此可知，行星架左板及延伸止口成為整個(gè)結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，在使用中極容易率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，需重要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

圖5 二級(jí)行星架應(yīng)力變化圖

3.2 位移變化分析

圖6 為二級(jí)行星架的位移變化圖。由圖可知，行星架整體結(jié)構(gòu)的位移出現(xiàn)了分布不均勻現(xiàn)象，其中，行星架上的最大變形位移為0.057 mm，出現(xiàn)在右板的上下兩端，行星架的左板及右端階梯軸上位移變化則相對(duì)較小，沿著階梯軸右端，位移變化也呈現(xiàn)逐漸較小的變化趨勢(shì)；另外，行星架中間軸孔及四周的結(jié)構(gòu)變形相對(duì)較小。分析其原因?yàn)椋河捎谛行羌茏蠖酥苯优c轎車機(jī)架進(jìn)行固定連接，故其左板的變形值則相對(duì)較小，而行星架左端承受的作用力傳遞至右板上后，導(dǎo)致該部位出現(xiàn)了較大的結(jié)構(gòu)變形。由此可知，行星架的右板為整個(gè)結(jié)構(gòu)中率先發(fā)生結(jié)構(gòu)變形的部位，需重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖6 二級(jí)行星架位移變化圖

4 行星架優(yōu)化改進(jìn)措施

結(jié)合前文分析可知，二級(jí)行星架的左板及延伸止口在長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷作業(yè)時(shí)極容易率先出現(xiàn)開裂或斷裂的疲勞失效現(xiàn)象，而右板則更容易率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形風(fēng)險(xiǎn)。為提高絞車的作業(yè)效率，降低其故障發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，有必要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，具體如下：

1）將二級(jí)行星架的材料改為Q345 材料，使得其材料的屈服強(qiáng)度值提升至345 MPa，以保證行星架在使用過(guò)程中具有更好的結(jié)構(gòu)性能；

2）增加行星架上左板和右板的厚度2 mm，并將中部的支撐筋板厚度也增加2 mm，以增加行星架的整體承載能力和抗扭矩變形能力；

3）在行星機(jī)左板的應(yīng)力集中附近開設(shè)直徑為1 mm 左右的通孔，在保證不影響其結(jié)構(gòu)性能基礎(chǔ)上，使得所產(chǎn)生的集中應(yīng)力轉(zhuǎn)移至此圓孔處，緩解行星架上的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

4）由于行星架經(jīng)常處于受力狀態(tài)，故在其加工之后，需對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)、淬火等熱處理，以提升行星架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度；

5）定期對(duì)行星架進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形嚴(yán)重、開裂等故障問(wèn)題時(shí)，需立即停機(jī)，對(duì)行星架進(jìn)行維修或部件更換，以保證絞車的安全運(yùn)行。

5 結(jié)論

結(jié)合JD-1 絞車二級(jí)行星架特點(diǎn)，利用ANSYS軟件，對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能研究，得出行星架的左板及延伸止口為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，找到其結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，提出了行星架優(yōu)化改進(jìn)的措施，這對(duì)進(jìn)一步開展二級(jí)行星架的使用壽命、保證絞車的作業(yè)安全意義重大。