采煤機(jī)截割部行星架受力及結(jié)構(gòu)分析

李小東

(西山煤電集團(tuán) 屯蘭礦,山西 太原 030052)

0 引言

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，現(xiàn)代化滾筒采煤機(jī)大量應(yīng)用于各大礦井工作面的綜采生產(chǎn)。滾筒采煤機(jī)可適應(yīng)的采高范圍大、工作效率高，但由于井下環(huán)境濕度大、粉塵大、多腐蝕性介質(zhì)，因此采煤機(jī)各部零件在長(zhǎng)期高負(fù)荷工作狀態(tài)下容易出現(xiàn)機(jī)械故障，嚴(yán)重影響生產(chǎn)穩(wěn)定性和安全性。

截割部是滾筒采煤機(jī)的重要工作單元，主要由搖臂、截割電機(jī)、多級(jí)減速、螺旋滾筒等機(jī)構(gòu)組成，其端部滾筒上螺旋分布的截齒可對(duì)煤巖進(jìn)行連續(xù)截割，并將落煤推入刮板輸送機(jī)，因此截割部的能量消耗可占整機(jī)的80%左右。實(shí)際工況下，截齒可能接觸矸石、巖石頂板或其他金屬物，造成截割阻力瞬間增大，容易引起傳動(dòng)零部件的損壞，尤其是位于截割扭矩輸出末端的截割部行星架，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在交變應(yīng)力和沖擊工況作用下，更易發(fā)生斷裂或共振等故障[1-3]。因此本文將對(duì)其受力及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為行星架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 行星減速機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與功能

截割部行星減速機(jī)構(gòu)主要由行星架、太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈、滾動(dòng)軸承等組成，如圖1所示。其中，行星架的外花鍵端與滾筒連接，用于輸出截割扭矩；太陽輪則負(fù)責(zé)輸入來自電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，太陽輪周邊與之嚙合的4個(gè)行星輪固定在行星架的兩腹板之間，行星輪周邊有一整圈固定于搖臂殼體內(nèi)部的內(nèi)齒圈。當(dāng)太陽輪自轉(zhuǎn)時(shí)，由于內(nèi)齒圈固定，因此可驅(qū)動(dòng)與上述兩者相互嚙合的行星輪繞太陽輪發(fā)生公轉(zhuǎn)，同時(shí)，行星架跟隨行星輪產(chǎn)生相同轉(zhuǎn)速的低速旋轉(zhuǎn)，并由花鍵端輸出扭矩。行星架兩端分別有滾動(dòng)軸承作為支撐，軸承外圈安裝在搖臂殼體內(nèi)[4-5]。

行星減速機(jī)構(gòu)各組成零件的裝配關(guān)系緊湊，體積小，便于安裝；同時(shí)該裝置傳動(dòng)比大，承載能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，因此適合作為滾筒采煤機(jī)截割部的末級(jí)減速裝置。

1-太陽輪；2-行星輪；3-內(nèi)齒圈；4-行星架；5-滾動(dòng)軸承

2 行星架受力分析

采煤機(jī)工作過程中，螺旋滾筒所受合力經(jīng)簡(jiǎn)化可分為垂直于滾筒端面的側(cè)向力FX、平行于采煤機(jī)行走方向的牽引阻力FY和平行于工作截齒線速度方向的截割阻力FZ三部分。其中，F(xiàn)X與采煤機(jī)滑靴支撐力相平衡，F(xiàn)Y與底部行走輪驅(qū)動(dòng)力相平衡，而FZ可最終分解為與滾筒中心線垂直的力FZ′及繞中心線的阻力矩T阻，其中T阻經(jīng)滾筒傳遞至行星架的花鍵軸上。

該行星機(jī)構(gòu)共有4個(gè)行星輪，均布在行星架兩腹板之間，假設(shè)行星輪不動(dòng)，則阻力矩T阻經(jīng)由行星架最終傳遞至各行星輪，且在行星輪安裝軸孔半圓面上產(chǎn)生反作用力F，4處的F大小相等，作用方向兩兩相反，因此阻力矩T阻可表示為：

T阻=4×F·r.

(1)

其中：r為行星輪安裝孔中心到行星架中心的距離，r=0.25 m。

另外，截割電機(jī)通過傳動(dòng)結(jié)構(gòu)向行星架輸出的驅(qū)動(dòng)力矩T驅(qū)為：

(2)

其中：P為截割電機(jī)額定功率，P=150 kW；η為行星機(jī)構(gòu)與電機(jī)之間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總傳動(dòng)效率，取η=90%；n為行星架的輸出轉(zhuǎn)速，低速工況時(shí)n=18 r/min。

顯然，行星架的輸入和輸出扭矩應(yīng)相等，即：

T驅(qū)=T阻.

(3)

因此，由式(1)～式(3)可得作用力F的計(jì)算公式：

(4)

3 行星架有限元模型

3.1 三維模型

行星架腹板部分結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不適合在有限元分析軟件ABAQUS中直接建模，因此選擇建模能力較強(qiáng)的UG進(jìn)行前期三維建模，然后保存為*.igs中間格式后導(dǎo)入ABAQUS中。建模過程中，考慮本次研究主要針對(duì)行星架的整體結(jié)構(gòu)，因此可將花鍵端簡(jiǎn)化處理為圓柱體，然后在分析過程中對(duì)圓柱表面施加扭矩。行星架材質(zhì)可選用ZG310-570，導(dǎo)入有限元軟件后，設(shè)置材料屬性：泊松比為0.3，彈性模量為210 000 MPa。

3.2 網(wǎng)格劃分

一般情況下，在進(jìn)行最終分析前，通過均勻網(wǎng)格劃分先進(jìn)行模型受力的粗略分析，然后對(duì)受力較大的位置再進(jìn)行網(wǎng)格精細(xì)劃分。通過前期分析，行星架腹板的根部等位置應(yīng)力較大，因此在此處進(jìn)行網(wǎng)格種子加密。另外，通過對(duì)模型各部分進(jìn)行切分，可在ABAQUS中得到結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、掃掠網(wǎng)格和自由網(wǎng)格或其混合體，以提高計(jì)算速度和精度。

3.3 載荷及邊界條件

綜合以上分析可知，為實(shí)現(xiàn)對(duì)行星架的受力模擬，可在原花鍵位置的圓柱體上施加限制位移和轉(zhuǎn)動(dòng)約束，然后在4個(gè)行星輪軸孔的相應(yīng)半圓面上按順時(shí)針方向施加作用力F，4處作用力合成驅(qū)動(dòng)力矩。

4 行星架受力有限元模擬

行星架受力較大，但為方便加工、節(jié)約制造成本，其毛坯選用鑄造結(jié)構(gòu)，腹板之間的非加工面可直接鑄造成型，材質(zhì)選用綜合力學(xué)性能較好的ZG310-570，熱處理后的屈服強(qiáng)度達(dá)310 MPa，具有良好的抗沖擊性和強(qiáng)度。

圖2為行星架的總應(yīng)變?cè)茍D，可見在驅(qū)動(dòng)力矩作用下，行星架沿受力方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，尤其是腹板之間的行星輪安裝窗口，兩對(duì)角方向出現(xiàn)較大拉伸應(yīng)變；另外，在腹板與花鍵端輸出軸連接根部也出現(xiàn)較大剪切應(yīng)變。圖3為行星架的Mises等效應(yīng)力云圖，可見在兩腹板之間筋板、窗口四角及花鍵輸出軸根部均存在較大應(yīng)力，最大應(yīng)力為119 MPa，遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度，處于安全狀態(tài)。但在煤巖截割過程中，以上應(yīng)力隨著滾筒旋轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)周期性變化，且當(dāng)截齒頭碰到矸石或其他金屬物時(shí)，截割阻力瞬間增大，因此在此交變和沖擊載荷作用下，應(yīng)力和應(yīng)變較大的位置容易從鑄件內(nèi)部萌生裂紋，甚至擴(kuò)展斷裂。

由此可知，雖然行星架滿足強(qiáng)度校核理論計(jì)算要求，但為提高其實(shí)際工作的可靠性，還應(yīng)注意提高過渡位置的圓角半徑，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中。另外，在制造過程中，通過增加對(duì)危險(xiǎn)位置的探傷操作，可有效降低初始裂紋缺陷對(duì)行星架使用壽命的影響。

5 采煤機(jī)搖臂模態(tài)分析

通過以上靜力學(xué)分析可知，當(dāng)前行星架的強(qiáng)度滿足使用要求，但對(duì)于滾筒采煤機(jī)，其內(nèi)部電機(jī)、外部滾筒等都有其固定頻率，且搖臂所受的截割阻力也隨滾筒旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生周期變化，若行星架的固有頻率與以上振動(dòng)頻率接近，則可能導(dǎo)致行星架在搖臂內(nèi)產(chǎn)生共振，同時(shí)對(duì)行星架的裂紋等缺陷控制產(chǎn)生不利影響，因此應(yīng)對(duì)行星架的固有頻率范圍加以分析。

圖2 行星架總應(yīng)變?cè)茍D

圖3 行星架Mises等效應(yīng)力云圖

圖4為該行星架的前6階振動(dòng)模態(tài)和相應(yīng)振動(dòng)頻率，可見前3階振動(dòng)形式較為簡(jiǎn)單，主要振動(dòng)位置為行星架兩端，且振動(dòng)頻率較低，范圍是3.27×10-4Hz～1.37×10-3Hz；而后3階振動(dòng)模態(tài)較為復(fù)雜，主要是兩腹板位置的振動(dòng)，由于該位置將安裝行星輪等裝置，因此應(yīng)避免該位置振動(dòng)對(duì)各齒輪嚙合的影響，其振動(dòng)頻率均較高，范圍是1 995.2 Hz～2 410.6 Hz。另外，搖臂前端滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為0.5 Hz左右，截割電機(jī)振動(dòng)頻率為25 Hz，因此行星架不會(huì)在以上運(yùn)動(dòng)部件作用下產(chǎn)生共振，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

圖4 行星架的前6階振動(dòng)模態(tài)及頻率

6 結(jié)語

行星架是采煤機(jī)截割部的關(guān)鍵受力零件，在交變載荷作用下易發(fā)生振動(dòng)甚至斷裂。針對(duì)這一問題，本文首先分析了截割部行星減速機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和功能，然后對(duì)行星架的受力狀況進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，利用ABAQUS有限元軟件分析了行星架在給定工況下的總應(yīng)變和Mises應(yīng)力分布情況，指出在花鍵軸與腹板連接根部等位置可能發(fā)生應(yīng)力集中，應(yīng)從設(shè)計(jì)、加工等角度加以控制。本文同時(shí)對(duì)行星架的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明其與其他運(yùn)動(dòng)部件不會(huì)產(chǎn)生共振。本文研究?jī)?nèi)容對(duì)采煤機(jī)截割部行星架的設(shè)計(jì)和維護(hù)具有積極參考價(jià)值。