礦用刮板輸送機(jī)行星架靜力結(jié)構(gòu)和模態(tài)分析

王 堃

（長(zhǎng)溝煤礦有限責(zé)任公司，山西 和順 032700）

引言

行星架作為礦用刮板輸送機(jī)減速器的重要組成部分，其不僅需要具有較高的強(qiáng)度與剛度，還需要在滿足行星架基本功能的情況下，最大限度控制其體積和質(zhì)量大小，并保障整體減速器結(jié)構(gòu)的最優(yōu)性。然而傳統(tǒng)的計(jì)算方法難以實(shí)現(xiàn)行星架的有效檢核分析，所以提出一種有限元分析方法，通過(guò)靜力結(jié)構(gòu)和模態(tài)分析兩個(gè)角度來(lái)對(duì)礦用刮板輸送機(jī)行星架進(jìn)行檢驗(yàn)分析，保證檢驗(yàn)結(jié)果精準(zhǔn)性的同時(shí)，降低行星架檢驗(yàn)分析難度。

1 礦用刮板輸送機(jī)減速器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

礦用刮板輸送機(jī)所采用的減速機(jī)構(gòu)多為行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)根據(jù)與刮板輸送機(jī)溜槽的相對(duì)位置進(jìn)行分類，可分為垂直安裝行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和平行安裝新型齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)兩種。其中垂直安裝行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要采用兩級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；平行安裝行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)則由兩級(jí)主動(dòng)輪、兩級(jí)從動(dòng)輪、太陽(yáng)輪、行星輪等結(jié)構(gòu)共同組成。在兩類行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中，平行安裝新型齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)在綜采工作面的應(yīng)用更多。

2 礦用刮板輸送機(jī)行星架模型構(gòu)建

根據(jù)礦用刮板輸送機(jī)行星架模型實(shí)際情況，通過(guò)Solidworks 三維建模軟件對(duì)行星架進(jìn)行三維建模，為降低后續(xù)計(jì)算機(jī)仿真模擬分析時(shí)計(jì)算壓力，需要將行星架模型簡(jiǎn)化為圓柱體。然后將所構(gòu)建出的三維模型導(dǎo)入到ANSYS 有限元軟件中，合理設(shè)置材料及參數(shù)。在具體有限元分析中所采用的材料為QT900-8 材料，此種材料的密度、彈性模量、泊松比、拉伸屈服強(qiáng)度分別為7.09 g/cm3、169 GPa、0.305、600 MPa。最后為模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終劃分出342 004 個(gè)節(jié)點(diǎn)和204 339 個(gè)單元，所構(gòu)建出的網(wǎng)格劃分模型如圖1 所示。

圖1 行星架網(wǎng)格劃分模型

此外，在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)劃分模型后，還需要對(duì)模型施加載荷及設(shè)定邊界條件：首先，將行星架輸入端的腹板設(shè)置為全約束，而行星架輸出端的腹板則不設(shè)置約束。其次，對(duì)行星架輸入端和輸出端軸承安裝區(qū)域配置有無(wú)滑動(dòng)支撐約束。再次，為行星架輸入端和輸出端施加載荷，具體載荷條件設(shè)置為額定輸出扭矩。最后，考慮到行星架在正常運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到重力的影響，所以還需要為行星架設(shè)置重力加速度，以此為后續(xù)模態(tài)分析提供基礎(chǔ)保障[1-2]。

3 礦用刮板輸送機(jī)行星架有限元分析

3.1 靜力結(jié)構(gòu)

所謂靜力結(jié)構(gòu)分析，就是指忽略慣性、阻尼等影響因素，在靜態(tài)載荷的作用下，整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)處于靜力平衡狀態(tài)。由于靜力結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中不考慮慣性和阻尼，所以結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的質(zhì)量將不會(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)性能造成影響，可以有效獲取理想結(jié)構(gòu)性能分析結(jié)果，進(jìn)而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要參考。

由于具體有限元分析過(guò)程中采用整體式結(jié)構(gòu)，所以此有限元方法具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）可以滿足公司的批量化生產(chǎn)；

2）整個(gè)行星架結(jié)構(gòu)可采用球墨鑄鐵材料進(jìn)行一體化鑄造，降低制造難度的同時(shí)，還能夠保障行星架整體結(jié)構(gòu)性能的一致性；

3）整體式結(jié)構(gòu)采用國(guó)際先進(jìn)的等溫淬火熱處理工藝，可進(jìn)一步提高行星架整體性能，滿足礦用刮板輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行需求；

4）整體式結(jié)構(gòu)在加工定位時(shí)基準(zhǔn)誤差更小，可以保障定位基準(zhǔn)的全面統(tǒng)一。

如圖2 所示，礦用刮板輸送機(jī)行星架的最大位移值為0.223 mm，其中最大位移點(diǎn)處于行星架輸送段腹板區(qū)域。如圖3 所示，礦用刮板輸送機(jī)行星架的最大應(yīng)力值為421.28 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)同樣位于行星架輸送段腹板區(qū)域。同時(shí)，礦用刮板輸送機(jī)行星架所采用的材料為QT90o-8，此種材料的拉伸屈服強(qiáng)度為600 MPa，而行星架的最大應(yīng)力值僅為421.28 MPa，低于此數(shù)值，說(shuō)明行星架所承受的應(yīng)力值可以滿足材料和結(jié)構(gòu)需求。

圖2 行星架等效位移云圖

圖3 行星架等效應(yīng)力云圖

3.2 模態(tài)分析

基于現(xiàn)有研究成果可知，模態(tài)分析具有以下幾方面作用：

1）模態(tài)分析可以為設(shè)計(jì)時(shí)提供更為精準(zhǔn)有效的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼以及模態(tài)質(zhì)量的全面分析評(píng)估參考；

2）模態(tài)分析可用于有限元分析模型的修正指導(dǎo)，進(jìn)而促使有限元分析模型得到進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)；

3）通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)可用于構(gòu)建結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中某一構(gòu)件的數(shù)學(xué)模型，并將此模型組合到整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，保障結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的科學(xué)性；

4）模態(tài)分析可用于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靈敏度以及計(jì)算反問(wèn)題分析研究效果；

5）模態(tài)分析可用于實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的響應(yīng)計(jì)算和載荷識(shí)別分析。

在完成行星架的靜力結(jié)構(gòu)分析后，可通過(guò)ANSYS 軟件中的Workbench 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)行星架的模態(tài)分析。具體分析過(guò)程中應(yīng)先構(gòu)建一個(gè)預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析系統(tǒng)，然后將靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析中所獲取的各類參數(shù)結(jié)構(gòu)作為模態(tài)分析邊界條件，導(dǎo)入到預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析系統(tǒng)中，進(jìn)而獲取模態(tài)分析系統(tǒng)所輸出的前六階固有頻率，具體情況如圖4 所示。

圖4 行星架模態(tài)分析前六階固有頻率

同時(shí)，預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析系統(tǒng)還可以輸出行星架的模態(tài)振型，具體情況如圖5 所示。

圖5 行星架模態(tài)第一階振型

圖5 中結(jié)果為行星架模態(tài)第一階振型，其他階振型結(jié)構(gòu)獲取過(guò)程與第一階振型獲取過(guò)程大致相同。通過(guò)行星架模態(tài)振型分析結(jié)果可知，行星架的模態(tài)振型主要表現(xiàn)為扭振，并且該扭振具體表現(xiàn)為軸向無(wú)扭振，斷面存在扭振的特點(diǎn)。同時(shí)，根據(jù)模態(tài)振型分析結(jié)果可知，行星架所發(fā)生的扭振固有頻率為762.62 Hz，此頻率與其他傳動(dòng)構(gòu)件以及刮板輸送機(jī)正常工作頻率存在較大差異，不會(huì)出現(xiàn)同頻率共振情況。

4 礦用刮板輸送機(jī)行星架模型的工程應(yīng)用

本文針對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算方法難以實(shí)現(xiàn)行星架的有效檢核分析這一問(wèn)題，提出一種有限元分析方法，通過(guò)靜力結(jié)構(gòu)和模態(tài)分析兩個(gè)角度來(lái)對(duì)礦用刮板輸送機(jī)行星架進(jìn)行檢驗(yàn)分析。為能夠進(jìn)一步驗(yàn)證此種方法的有效性，在具體研究中還將此有限元分析方法應(yīng)用于工程實(shí)踐，具體分析過(guò)程中引入多種礦用刮板輸送機(jī)的行星架作為具體模型優(yōu)化參考依據(jù)，進(jìn)而以此有限元分析方法對(duì)行星架模型進(jìn)行優(yōu)化完善，并將優(yōu)化后的模型與現(xiàn)有模型進(jìn)行匹配對(duì)比及有限元分析，最終檢驗(yàn)優(yōu)化后模型的有效性。根據(jù)實(shí)際工程實(shí)踐結(jié)果來(lái)看，相對(duì)于現(xiàn)有礦用刮板輸送機(jī)行星架來(lái)說(shuō)，改進(jìn)后的行星架具有更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性能，并且其扭振固有頻率與礦用刮板輸送機(jī)的正常工作頻率存在較大差異，不會(huì)存在同頻率共振情況，進(jìn)而更有利于保障礦用刮板輸送機(jī)的正常使用，可以在后續(xù)設(shè)計(jì)中進(jìn)行參考應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算方法中存在的行星架檢核難度大等問(wèn)題，提出一種有限元分析方法，為驗(yàn)證此種方法的有效性，將有限元分析方法應(yīng)用于工程實(shí)踐，最終發(fā)現(xiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)方法來(lái)說(shuō)，有限元分析方法更有利于發(fā)現(xiàn)行星架中存在的各類不足，進(jìn)而及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，保障行星架整體設(shè)計(jì)的有效性。具體來(lái)說(shuō)，本研究共獲得以下研究成果：

1）針對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算方法的不足，提出一種有限元分析方法。

2）基于有限元分析方法分別開(kāi)展靜力結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析，其中靜力結(jié)構(gòu)分析可有效發(fā)現(xiàn)行星架存在的結(jié)構(gòu)性能等方面問(wèn)題；模態(tài)分析可用于發(fā)現(xiàn)行星架存在的模態(tài)振型和固有頻率，避免行星架在具體應(yīng)用中的振型頻率與刮板輸送機(jī)其他結(jié)構(gòu)運(yùn)行頻率保持一致，引發(fā)同頻率共振情況。