王瑞卿

（山西大同永定莊煤業(yè)公司， 山西 大同 037024）

引言

礦用絞車作為煤礦開采中的關鍵設備，由于其操作方便、作業(yè)效率高，已成為煤礦開采中不可或缺的重要設備[1]。由于井下環(huán)境的惡劣性，礦井中經(jīng)常會有煤石掉落沖擊絞車設備，加上絞車的長負荷和超長時間的提升作業(yè)，使得絞車經(jīng)常出現(xiàn)結構變形、局部開裂、磨損嚴重、控制誤操作等失效現(xiàn)象，其中設備中的二級行星架關鍵部件出現(xiàn)的結構失效問題尤為突出[2]。

據(jù)統(tǒng)計，2006 年，湖南湘中煤礦井因絞車閘皮老化和行星架結構變形失效，造成了1 人死亡3 人重傷；2013 年，甘肅長征煤礦由于絞車二級行星架軸套磨損嚴重，導致了1 人卷入絞車而死亡對絞車中二級行星架進行結構性能研究，成為提升絞車作業(yè)效率的重要舉措。因此，對絞車中二級行星架進行結構性能研究，成為提升絞車作業(yè)效率的重要舉措[3]。以JD-1 絞車中二級行星架為分析對象，開展了基于ANSYS 的二級行星架結構性能研究分析，并提出了行星架的結構優(yōu)化改進措施。這對提升行星機架的使用壽命，保障設備的高效運行具有重要意義。

1 絞車結構組成分析

礦用絞車是礦井提升系統(tǒng)中的動力裝置，負責給礦井中貨物運輸、人員升降、關鍵設備運輸提供足夠的運輸動力。目前，市場上應用提升絞車、回柱絞車、運輸絞車、調(diào)度絞車等較多，其中，又以運輸絞車、調(diào)度絞車應用較為廣泛。礦用絞車的結構組成基本相同，主要包括電動機、滾筒、離合閘、制動閘、閘皮、二級行星架、鋼絲繩、變速箱等部件[4]，其結構組成如圖1 所示，而大部分絞車均具有一定的抗爆性。整個絞車的簡單工作原理為：首先通過交流電動機的運轉，將動力通過聯(lián)軸器傳遞至圓錐齒輪上；其次齒輪嚙合過程中，可根據(jù)現(xiàn)場工況的不同使用需求，通過變速箱進行高速檔和低速擋的轉速調(diào)節(jié)；最后在圓柱齒輪上進行匯總并通過輸出軸進行動力輸出，經(jīng)過帶動鋼絲繩作用，實現(xiàn)對貨物或人員的上下升降作用[5]，其作業(yè)原理圖如圖2 所示。

2 行星架仿真模型建立

2.1 行星架三維模型建立

由于JD-1 絞車為煤礦開采中常用的調(diào)度絞車，為掌握其設備中二級行星架在使用中的結構性能情況，采用了Proe 軟件，對其進行了三維模型建立。在建模中，主要對行星架上的較小圓角、倒角、圓孔等非關鍵特征進行了模型簡化，僅保留了行星架的關鍵特征，最終按照1∶1 的模型比例，完成了二級行星架的三維模型建立，如圖3 所示。

圖1 絞車結構組成圖

圖2 絞車動力傳遞原理圖

圖3 二級行星架三維模型圖

2.2 行星架仿真模型建立

在完成行星架的三維模型建立后，將其ANSYS軟件中，對其進行仿真模型建立。在該軟件中，首先對其進行布爾網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元采用了solid 實體單元，網(wǎng)格類型為六面體，網(wǎng)格大小設置為12 mm，如圖4 所示。同時，由于行星架在實際使用中采用的是Q235 材料，故在軟件中，將其材料設置為了Q235，屈服強度為235 MPa[6]，材料的主要參數(shù)如表1 所示。另外，根據(jù)行星架的實際安裝特點，將其左板進行了固定約束，對右板及階梯軸進行了旋轉約束，以使其符合實際工況條件。通過設置防止時間及其他參數(shù)，完成了行星架的仿真模型建立。

圖4 二級行星架網(wǎng)格劃分圖

表1 Q235 材料主要參數(shù)

3 行星架結構性能分析

3.1 應力變化分析

圖5 為二級行星架的應力變化圖。通過分析可知，行星架整體結構的應力分布相對不均勻，整體出現(xiàn)了不同程度的應力集中現(xiàn)象，最大應力集中出現(xiàn)在行星架左板及延伸止口上，應力值達到了273.27 MPa，超過了其材料的23 MPa 屈服強度，且在左右板之間的支撐筋板也出現(xiàn)了相對較大的應力集中，其值達到了223.5 MPa；而右板及右端階梯軸上的應力值則相對較低。分析其原因為行星架左板由于直接與絞車機架進行連接，故在其作業(yè)時受到了來自機架的較大扭轉作用力作用，扭轉載荷率先傳遞至行星架左板上，并逐步通過中間支撐筋板傳遞至右板。導致行星架出現(xiàn)了不同程度的應力集中現(xiàn)象。由此可知，行星架左板及延伸止口成為整個結構中的薄弱部位，在使用中極容易率先出現(xiàn)結構失效現(xiàn)象，需重要進行優(yōu)化改進。

圖5 二級行星架應力變化圖

3.2 位移變化分析

圖6 為二級行星架的位移變化圖。由圖可知，行星架整體結構的位移出現(xiàn)了分布不均勻現(xiàn)象，其中，行星架上的最大變形位移為0.057 mm，出現(xiàn)在右板的上下兩端，行星架的左板及右端階梯軸上位移變化則相對較小，沿著階梯軸右端，位移變化也呈現(xiàn)逐漸較小的變化趨勢；另外，行星架中間軸孔及四周的結構變形相對較小。分析其原因為：由于行星架左端直接與轎車機架進行固定連接，故其左板的變形值則相對較小，而行星架左端承受的作用力傳遞至右板上后，導致該部位出現(xiàn)了較大的結構變形。由此可知，行星架的右板為整個結構中率先發(fā)生結構變形的部位，需重點對其進行結構優(yōu)化改進設計。

圖6 二級行星架位移變化圖

4 行星架優(yōu)化改進措施

結合前文分析可知，二級行星架的左板及延伸止口在長時間超負荷作業(yè)時極容易率先出現(xiàn)開裂或斷裂的疲勞失效現(xiàn)象，而右板則更容易率先出現(xiàn)結構變形風險。為提高絞車的作業(yè)效率，降低其故障發(fā)生風險，有必要對其進行結構優(yōu)化改進設計，具體如下：

1）將二級行星架的材料改為Q345 材料，使得其材料的屈服強度值提升至345 MPa，以保證行星架在使用過程中具有更好的結構性能；

2）增加行星架上左板和右板的厚度2 mm，并將中部的支撐筋板厚度也增加2 mm，以增加行星架的整體承載能力和抗扭矩變形能力；

3）在行星機左板的應力集中附近開設直徑為1 mm 左右的通孔，在保證不影響其結構性能基礎上，使得所產(chǎn)生的集中應力轉移至此圓孔處，緩解行星架上的應力集中現(xiàn)象；

4）由于行星架經(jīng)常處于受力狀態(tài)，故在其加工之后，需對其進行調(diào)質、淬火等熱處理，以提升行星架的結構強度和剛度；

5）定期對行星架進行維護保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)其結構出現(xiàn)變形嚴重、開裂等故障問題時，需立即停機，對行星架進行維修或部件更換，以保證絞車的安全運行。

5 結論

結合JD-1 絞車二級行星架特點，利用ANSYS軟件，對其進行了結構性能研究，得出行星架的左板及延伸止口為整個結構的薄弱部位，找到其結構的變形規(guī)律，提出了行星架優(yōu)化改進的措施，這對進一步開展二級行星架的使用壽命、保證絞車的作業(yè)安全意義重大。