采煤機(jī)截割滾筒行星架強(qiáng)度分析與改進(jìn)

王 健

（陽(yáng)煤二礦，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

煤炭作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要資源，近年來(lái)的需求量呈現(xiàn)出了高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，我國(guó)煤炭資源占據(jù)石化能源總量的90%以上，煤炭需求量的增加使煤炭采掘工作日漸繁重[1-2]。煤炭的高效采掘不僅關(guān)系著煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，還與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展息息相關(guān)，因此需加強(qiáng)煤炭采掘機(jī)械的研究，以便提高煤炭的產(chǎn)量和效率[3]。采煤機(jī)作為煤炭采掘作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其功能是落煤和裝煤，應(yīng)用較多的為滾筒式采煤機(jī)，預(yù)計(jì)占比在90%以上。滾筒作為采煤機(jī)的關(guān)鍵組件，其工作的可靠性直接決定了采煤機(jī)的性能和效率，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)廣泛關(guān)注[4-5]。雖然現(xiàn)有的采煤機(jī)滾筒截割硬煤的能力已有所提高，但是個(gè)別部件任然存在強(qiáng)度不足的問(wèn)題，滾筒行星架就是其中之一[6]。因此針對(duì)某型號(hào)采煤機(jī)滾筒行星架出現(xiàn)破壞的問(wèn)題，以滾筒行星架為研究對(duì)象，借助有限元仿真分析軟件，開(kāi)展破壞原因分析并提出可行的改進(jìn)策略具有重要意義。

1 滾筒采煤機(jī)結(jié)構(gòu)概述

某型號(hào)滾筒式采煤機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，組成包括中間箱、牽引部、行走部和截割部。中間箱用于控制整個(gè)采煤機(jī)的動(dòng)作；牽引部的主要功能是為行走部傳遞動(dòng)力，牽引部為電力牽引形式，依靠固定箱底部的滑靴與滑軌支撐推動(dòng)輸送機(jī)正常運(yùn)行；行走部分在牽引部提供的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)降速增扭，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)行進(jìn)過(guò)程中的無(wú)極調(diào)速；截割部作為煤炭截割的重要部分，其滾筒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的截割力直接與煤炭接觸，通過(guò)滾筒上分布的截齒實(shí)現(xiàn)煤層破碎，利用連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋葉片將落下的煤炭輸送至采煤機(jī)配套的刮板輸送機(jī)中，完成煤炭的采掘工作過(guò)程。

圖1 滾筒式采煤機(jī)結(jié)構(gòu)

2 滾筒行星架有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

運(yùn)用SolidWorks 軟件完成滾筒行星架三維模型的建立，為了提高仿真計(jì)算的效率，對(duì)其進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，忽略的行星架中不影響仿真計(jì)算結(jié)果的倒角等要素，之后即可另存為.igs 格式文件導(dǎo)入ANSYS仿真計(jì)算軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析。建立完成的采煤機(jī)滾筒行星架三維模型如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)滾筒行星架三維模型

2.2 材料屬性設(shè)置與網(wǎng)格劃分

導(dǎo)入行星架三維模型之后進(jìn)行材料屬性設(shè)置，行星架材料牌號(hào)為ZG42CrMo，材料屬性參數(shù)如下：密度為7 850 kg/m3，屈服強(qiáng)度為630 MPa，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。完成行星架材料屬性設(shè)置之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了提高網(wǎng)格劃分效率，采用自由化分方法完成了行星架網(wǎng)格的劃分工作。

2.3 載荷與約束施加

結(jié)合采煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，分析計(jì)算得出了滾筒行星傳動(dòng)部件的受力情況如下，太陽(yáng)輪所受的軸向載荷約為35 kN，行星架所受的軸向載荷大小約為10 kN，作用于行星架軸孔的中心。載荷施加時(shí)，將其轉(zhuǎn)換為行星架半圓柱面上的正弦分布載荷，更真實(shí)的模擬采煤機(jī)滾筒行星架的運(yùn)行狀態(tài)。

2.4 仿真結(jié)果

完成滾筒行星架有限元仿真分析前處理工作之后即可啟動(dòng)ANSYS 仿真計(jì)算軟件中自帶的求解器，運(yùn)行滾筒行星架有限元仿真計(jì)算程序。完成仿真計(jì)算之后調(diào)取滾筒行星架仿真計(jì)算結(jié)果中的等效應(yīng)力分布云圖，如圖3 所示。

圖3 滾筒行星架應(yīng)力（Pa）分布云圖

由圖3 滾筒行星架工作過(guò)程中的等效應(yīng)力分布云圖可以看出，行星架大直徑端部的工作應(yīng)力高于小直徑端部，最大應(yīng)力值為614 MPa，出現(xiàn)在行星架大直徑端部的連接螺栓孔位置。相較于行星架材料的屈服強(qiáng)度630 MPa，行星架最大工作應(yīng)力與其極為接近，工作過(guò)程存在安全隱患，有必要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。分析結(jié)果表明，滾筒行星減速器運(yùn)行時(shí)，行星軸與行星架相當(dāng)于懸臂梁結(jié)構(gòu)，故而出現(xiàn)了行星架大直徑端應(yīng)力值高于小直徑端的情況。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 改進(jìn)方案

類似行星架的結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)強(qiáng)度不足問(wèn)題時(shí)的改進(jìn)措施如下：更換強(qiáng)度更高的結(jié)構(gòu)件材料，保證整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求；優(yōu)化結(jié)構(gòu)件的熱處理工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)件綜合力學(xué)性能的提高；優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度；改變結(jié)構(gòu)件的局部結(jié)構(gòu)，降低結(jié)構(gòu)件局部的最大應(yīng)力。綜合考慮行星架結(jié)構(gòu)改進(jìn)的難易程度和使用環(huán)境，選擇改變結(jié)構(gòu)件的局部結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，研究增大行星架大直徑端連接螺栓孔厚度的方法對(duì)行星架最大工作應(yīng)力的影響，在原來(lái)的厚度值基礎(chǔ)上增加1.5 mm。

3.2 改進(jìn)效果

按照行星架改進(jìn)之后的尺寸進(jìn)行三維模型的修改，再次導(dǎo)入ANSYS 仿真計(jì)算軟件進(jìn)行前處理，要求各個(gè)設(shè)置參數(shù)與改進(jìn)之前一致。完成前處理之后啟動(dòng)求解器進(jìn)行行星架強(qiáng)度分析，提取行星架仿真計(jì)算結(jié)果中的等效應(yīng)力分布云圖，如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)后滾筒行星架應(yīng)力（Pa）分布云圖

由圖4 改進(jìn)后滾筒行星架應(yīng)力分布云圖可以看出，依然是行星架大直徑端的等效應(yīng)力高于小直徑端部，最大應(yīng)力值為572 MPa，處于行星架大直徑端部的連接螺栓孔位置。相較于改進(jìn)之前，行星架的最大工作應(yīng)力降低了42 MPa，相較于行星架材料的屈服強(qiáng)度630 MPa，存在58 MPa 的安全裕度，足以滿足采煤機(jī)滾筒行星架可靠工作的要求，改進(jìn)效果顯著。

4 應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)行星架仿真計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行工程制造，將其應(yīng)用于某型號(hào)采煤機(jī)滾筒減速器當(dāng)中，跟蹤記錄3 個(gè)月運(yùn)行狀況。結(jié)果表明，改進(jìn)后的行星架運(yùn)行可靠，滿足滾筒穩(wěn)定工作的要求，仿真計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，改進(jìn)后的滾筒行星架該應(yīng)用提高了滾筒工作的壽命，降低了近15%的采煤機(jī)故障停機(jī)時(shí)間，減少了采煤近10%運(yùn)行維護(hù)成本，提高了近8%綜采工作面內(nèi)掘進(jìn)設(shè)備的利用率，降低了煤炭成本，為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近150 萬(wàn)元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。