采煤機牽引部行星架受力分析制造及加工優(yōu)化

李志君

（山西煤礦機械制造有限責任公司， 山西 太原 030031）

引言

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和人們生活水平的不斷提升，社會對煤炭資源的需求量呈現(xiàn)出快速增長的趨勢，加大煤礦開采效率是煤礦領域未來發(fā)展的必然趨勢。采煤機是煤礦開采中非常重要的機械裝備，其性能好壞會對煤礦開采過程產生非常重要的影響[1]。牽引部是電牽引采煤機中的重要結構件，屬于易損件和故障率相對較高的部件，一旦出現(xiàn)故障問題會導致采煤機無法正常工作，進而影響設備的開機率，降低煤礦生產過程效率[2]。實踐經(jīng)驗表明，牽引部二級行星架是故障率相對較高的結構件，針對該問題有必要對二級行星架結構件的受力情況進行分析，在此基礎上對其制造和加工進行優(yōu)化改進，提升結構件的整體性能，為采煤機的可靠穩(wěn)定運行奠定堅實的基礎[3]。

1 采煤機牽引部結構概述

本文以煤礦中常用的MG300/700-WD 型電牽引采煤機為例進行分析，采煤集中牽引部是重要的結構件，作用是實現(xiàn)采煤機的移動確保煤礦開采過程的連續(xù)性，牽引速度大小會對采煤效率和質量產生非常重要的影響。牽引部整體上可以分為兩大部分，分別為傳動裝置和牽引裝置[4]。其中傳動裝置的作用是將牽引電機輸出的動力進行傳遞并對速度進行調節(jié)，牽引裝置的作用是在外部動力的驅動作用下實現(xiàn)采煤機的整體移動。如圖1 所示為MG300/700-WD 型采煤機牽引部的整體結構示意圖。由圖可知，牽引部除牽引殼體機架外還包括牽引電機、牽引軸以及雙行星減速器等。減速器輸出軸通過花鍵形式與行走箱進行連接，將動力輸入行走箱。實踐過程中發(fā)現(xiàn)雙行星減速器中的二級行星架出現(xiàn)故障的概率最高，在一定程度上制約了采煤機工作效率的提升。因此本研究主要對二級行星架進行受力分析，并對其制造和加工結構進行優(yōu)化改進。

圖1 MG300/700-WD 型采煤機牽引部整體結構圖

2 二級行星架的有限元建模

2.1 三維模型的建立

利用Pro/E 軟件根據(jù)MG300/700-WD 型采煤機牽引部二級行星架的實際尺寸建立對應的三維幾何模型，并將模型導出為.stl 格式，以便導入ANSYS 軟件中建立有限元模型。需要特別說明的是，為了提升模型計算速度，在建立三維幾何模型時對于一些細小結構直接進行忽略處理，比如小孔、倒角等。已有實踐經(jīng)驗表明，這種簡化不會對計算結果產生明顯的影響，但會加快模型計算速度[5]。

2.2 有限元模型的建立

將.stl 格式文件導入ANSYS 軟件后，需要賦予對應的材料屬性。結合實際情況，行星架通常采用Q690鋼材進行加工，查閱材料手冊可知，該材料的彈性模量和切變模量分別為200 GPa 和128.7 GPa，屈服強度和泊松比分別為690 MPa 和0.29，將以上基本物理參數(shù)輸入到模型中，以確保模型計算結果的精確性。牽引部二級行星架的有限元模型如下頁圖2 所示。進一步，需要對模型進行網(wǎng)格劃分，ANSYS 軟件中內置有多種形式的網(wǎng)格單元，不同單元類型會對計算過程和結果產生比較重要的影響。本研究中結合以往經(jīng)驗選用的是六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長按照軟件程序進行自動確定。最終劃分得到的網(wǎng)格單元數(shù)量和節(jié)點數(shù)量分別為13465 個和15239 個。最后還需要設置約束條件，對于二級行星架，約束主要設置在軸頸與軸承發(fā)生接觸的部位，除繞軸向轉動自由度不受限制外，其他5 個自由度全部設置為0，確保行星架只能繞軸向發(fā)生轉動。

圖2 牽引部二級行星架的有限元模型

3 二級行星架的受力結果分析

完成有限元模型分析工作后，可以對分析結果進行調取。如圖3 所示為采煤機牽引部二級行星架的應力分布云圖和變形分布云圖。由應力分布云圖可知，二級行星架正常工作時的受力呈現(xiàn)出嚴重的不均勻性，絕大部分區(qū)域的受力都相對較小，只有局部位置受力較相對較大，出現(xiàn)了明顯的應力集中現(xiàn)象，最小應力值幾乎為0，而最大應力值達到了550 MPa，出現(xiàn)應力集中的部位為花鍵端軸頸部位與軸承相接觸的位置。對變形分布云圖進行分析，發(fā)現(xiàn)變形分布表現(xiàn)出了相似的分布規(guī)律，整體上呈現(xiàn)出嚴重的不均勻性，局部位置發(fā)生了明顯的變形集中現(xiàn)象，大部分位置的變形相對較小，其中最大變形值為0.06881 mm，出現(xiàn)最大變形值的位置為輸入端的擋板區(qū)域。

圖3 二級行星架應力（MPa）和變形（mm）分布云圖

二級行星架通常采用Q690 材料制作，該材料的許用應力值大約為500 MPa。通過圖3 的受力分析可以發(fā)現(xiàn)行星架局部位置的應力值為550 MPa，已經(jīng)超過了材料的許用應力值。再加上二級行星架工作時發(fā)生旋轉運動，應力集中位置承受的是周期性的載荷，會加劇材料發(fā)生疲勞損傷，最終發(fā)生損壞[6]?；诖耍斜匾獙Χ壭行羌艿闹圃旌图庸そY構進行優(yōu)化改進，以降低該結構件的最大應力值，延長其使用壽命。

4 二級行星架的制造及加工優(yōu)化研究

4.1 行星架的優(yōu)化改進

經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)傳統(tǒng)方案對二級行星架進行制造加工時存在一定的缺陷問題，會縮短結構的使用壽命，因此本研究使用ANSYS 軟件對該結構進行優(yōu)化改進?？紤]到花鍵端軸頸部位的應力值最大，以該部位的內徑dn和外徑dw為優(yōu)化對象，以最大應力值為優(yōu)化目標，要求行星架結構的安全系數(shù)n 達到2，其中n=σb/σmax，σb和σmax分別表示材料的強度極限和結構的最大應力值，根據(jù)該要求，需要將行星架的最大應力值降低到345 MPa。

在ANSYS 軟件中主要通過迭代計算的方式進行優(yōu)化，優(yōu)化過程中每設定一組內徑和外徑值，然后進行一次計算，得到行星架的最大應力值，直到最大應力值降低到目標值以下，則停止計算并輸入結果。如圖4 所示為花鍵端軸頸內徑和外徑尺寸及最大應力值隨迭代次數(shù)的變化情況。由圖4 可知，當?shù)嬎氵M行到第8 次時，行星架的最大應力降低到了332.56 MPa，達到了目標值，對應的內徑和外徑尺寸分別為115.5 mm 和130 mm。與原始尺寸進行對比，發(fā)現(xiàn)內徑值未發(fā)生變化，而外徑值增加了5.7 mm，增大幅度為4.59%。

圖4 花鍵端軸頸內徑和外徑尺寸及最大應力值隨迭代次數(shù)的變化

優(yōu)化后的最大應力值與優(yōu)化前相比較降低了39.58%，按照優(yōu)化后的方案對行星架進行制造加工，可以顯著提升該結構服役過程中的可靠性，延長使用壽命。

4.2 應用效果分析

根據(jù)以上優(yōu)化方案對采煤機牽引部二級行星架的制造及加工過程進行優(yōu)化改進，并將優(yōu)化后的行星架部署到采煤機工程實踐中，經(jīng)過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)行星架能夠穩(wěn)定可靠運行。目前該結構在采煤機中的應用時間已經(jīng)超過1 年，通過對結構件的故障率進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的故障率與前期相比降低了20%左右。不僅為企業(yè)節(jié)省了大量的設備維護保養(yǎng)成本，還為采煤機的穩(wěn)定可靠運行創(chuàng)造了良好的條件。

5 結論

1）通過靜力學分析發(fā)現(xiàn)行星架存在顯著的應力集中現(xiàn)象，超過了材料的許用應力值，且行星架承受的是周期性載荷，容易發(fā)生疲勞損傷甚至斷裂。

2）結合應力集中位置對花鍵端軸頸部位的尺寸進行優(yōu)化改進，主要是將其外徑增加5.7mm。

3）結構尺寸增大使該部位的剛度有了明顯提升，最大的應力值降低到了332.56 MPa，降低幅度達到了39.58%。

4）按照優(yōu)化后的結構進行制造加工并將其應用到采煤機中，與原結構相比較，故障率降低了20%左右，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。