采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)行星架的優(yōu)化研究

武曉斌

（霍州煤電集團(tuán)晉南煤業(yè)有限公司， 山西 運(yùn)城 043300）

引言

目前，多數(shù)煤礦煤層所處地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，其直接頂為硬質(zhì)頁巖，煤層內(nèi)含有多層夾矸，井下直接底主要由角礫巖和頁巖構(gòu)成，交錯(cuò)分布，整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性大，硬度大。在使用SL-500 型采煤機(jī)進(jìn)行綜采作業(yè)時(shí)，平均每采3 萬t 煤采煤機(jī)的行星架就會(huì)出現(xiàn)一次斷裂，根據(jù)對(duì)斷裂行星架的觀測(cè)，其斷裂位置主要分布在行星架筋板的底部。每次斷裂后都需要停產(chǎn)進(jìn)行更換，嚴(yán)重影響了井下綜采作業(yè)效率。因此，以SL-500 采煤機(jī)為例，對(duì)其截割機(jī)構(gòu)行星架進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 采煤機(jī)行星架斷裂原因分析

根據(jù)對(duì)行星架斷裂位置和現(xiàn)象的分析，初步判定行星架的斷裂為疲勞斷裂，因此項(xiàng)目組從行星架材料成分和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度兩個(gè)方面對(duì)其斷裂原因進(jìn)行分析。

由于SL-500 采煤機(jī)的行星架為一體式鑄造成型，所使用的材料為高強(qiáng)度鉻錳合金，其硬度（HB）為290，在成型后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，為了確定斷裂行星架的材料性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目組從斷裂的行星架斷口處取金屬材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1 所示。

表1 化學(xué)成分測(cè)試匯總表%

斷裂行星架的機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 機(jī)械性能測(cè)試匯總表

由測(cè)試分析結(jié)果可知，斷裂行星架的化學(xué)成分和機(jī)械性能均符合要求，因此行星架的斷裂不是由于材料缺陷不足導(dǎo)致的。

采煤機(jī)在進(jìn)行綜采作業(yè)過程中無法避免在不同硬度條件下進(jìn)行截割作業(yè)，使行星架會(huì)受到交變的載荷沖擊作用，若載荷沖擊過大會(huì)導(dǎo)致行星架在應(yīng)力集中處瞬間超過承受極限而斷裂。為了對(duì)采煤機(jī)在綜采作業(yè)時(shí)的載荷沖擊變化情況進(jìn)行研究，利用SL-500 采煤機(jī)上自帶的CF 卡對(duì)截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)的實(shí)際截割電流和額電流比值進(jìn)行記錄，根據(jù)截割電流的變化情況即可推斷出所對(duì)應(yīng)的截割載荷。截割電流變化如圖1 所示。

圖1 截割電機(jī)電流變化示意圖

由圖1 可知，在截割過程中，采煤機(jī)截割電機(jī)的實(shí)際輸出電流呈現(xiàn)不規(guī)則的變化趨勢(shì)，主要是由于巖層硬度的變化導(dǎo)致的。截割電機(jī)的實(shí)際輸出電流達(dá)到了額定電流的159%，即在截割過程中作用在采煤機(jī)的瞬間截割載荷沖擊達(dá)到了額定沖擊量的1.59 倍，因此使采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的行星架承受了極大的沖擊。

由于采煤機(jī)行星架的斷裂均發(fā)生在第四個(gè)筋條和上下臺(tái)面的接觸位置，此位置剛好為行星架上相對(duì)薄弱且應(yīng)力較為集中的位置。因此結(jié)合材料分析和受力分析結(jié)果，可以確定采煤機(jī)行星架的斷裂主要是采煤機(jī)行星架長(zhǎng)期在大載荷交變沖擊下在應(yīng)力集中的位置產(chǎn)生了疲勞破壞，隨著時(shí)間的推移，疲勞破壞產(chǎn)生的裂紋不斷增加而導(dǎo)致。

2 行星架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

針對(duì)采煤機(jī)行星架斷裂的原因，項(xiàng)目組提出一方面增加行星架本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，另一方面優(yōu)化結(jié)構(gòu)降低應(yīng)力集中的方案。

行星架本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高，對(duì)行星架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提升主要是通過改變行星架的加工方式，將鍛造改為一體式鍛焊結(jié)構(gòu)[1]，同時(shí)采用高強(qiáng)度合金材料替代原有的鉻錳合金，在不增加結(jié)構(gòu)重量的情況下將行星架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升了31.9%，其韌性提升了21.6%。

行星架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要是提高斷裂區(qū)域的材料壁厚，將該處的材料厚度由14 mm 提升為27 mm，同時(shí)在斷裂位置將直角焊接連接結(jié)構(gòu)更改為了R20的圓角過渡結(jié)構(gòu)，降低工作時(shí)的應(yīng)力集中。優(yōu)化后的行星架結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后的行星架結(jié)構(gòu)示意圖

為了對(duì)優(yōu)化后的行星架在受力時(shí)的應(yīng)力分布情況進(jìn)行研究，利用ANSYS 仿真分析[2]軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析，根據(jù)SL-500 型采煤機(jī)工作時(shí)的載荷變化情況，設(shè)定作用在行星架上的立井為28 598 N·m，載荷為33 050 N，仿真分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后行星架的受力分析示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，優(yōu)化后行星架的最大應(yīng)力集中位置依然是在第四個(gè)筋條和上下臺(tái)面的接觸位置，但最大應(yīng)力約為195 MPa，比優(yōu)化前降低了57.7%，遠(yuǎn)低于370 MPa 的材料強(qiáng)度極限，同時(shí)由于材料韌性的提升，工作時(shí)的抗拉強(qiáng)度提高到了890 MPa，能夠確保行星架承受4 倍的最大應(yīng)力，極大地提升了抗疲勞破壞的能力。

對(duì)使用新行星架的采煤機(jī)的工作情況進(jìn)行跟機(jī)驗(yàn)證，自應(yīng)用以來，采煤機(jī)的行星架斷裂頻率由3 萬t/個(gè)降低到了15.6 萬t/個(gè)，使用壽命提升了5.2 倍，顯著提升了采煤機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和綜采效率。

3 結(jié)論

1）采煤機(jī)行星架的斷裂主要是采煤機(jī)行星架長(zhǎng)期在大載荷交變沖擊下在應(yīng)力集中的位置產(chǎn)生了疲勞破壞，隨著時(shí)間的推移，疲勞破壞產(chǎn)生的裂紋不斷增加而導(dǎo)致。

2）通過采用高強(qiáng)度合金材料、優(yōu)化行星架結(jié)構(gòu)的方式，將行星架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升了31.9%，韌性提升了21.6%。

3）優(yōu)化后，行星架的應(yīng)力集中比優(yōu)化前降低了57.7%，斷裂頻率由3 萬t/個(gè)降低到了15.6 萬t/個(gè)，使用壽命提升了5.2 倍，顯著提升了采煤機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和綜采效率。