薛敬宇

（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(guān)鍵設(shè)備，保證其設(shè)備的正常安全運(yùn)行，降低其設(shè)備故障率，成為當(dāng)前煤礦企業(yè)重點(diǎn)考慮的問題[1]。但由于井下環(huán)境的特殊性，加上絞車經(jīng)常會處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，絞車長時(shí)間在超過其最大作業(yè)值范圍內(nèi)工作，將會使設(shè)備出現(xiàn)不同程度的故障失效，事故一旦發(fā)生，將會對設(shè)備及人員的作業(yè)效率及安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，同時(shí)也會使絞車處于停機(jī)維修狀態(tài)，給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。在絞車應(yīng)用過程中，礦井因絞車故障而出現(xiàn)的事故頻發(fā)[2]。分析其原因：絞車中部件發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或斷裂失效、電氣元器件老化、操作不當(dāng)?shù)?。對絞車中關(guān)鍵部件進(jìn)行分析研究，找到其使用中存在的薄弱部位，顯得十分必要。

1 絞車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

礦用絞車作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，與礦用提升機(jī)進(jìn)行有效配合，實(shí)現(xiàn)井下作業(yè)時(shí)對人員、貨物、材料、開采設(shè)備等的升降運(yùn)輸作用，是整個(gè)提升系統(tǒng)中的動(dòng)力牽引部分。根據(jù)絞車的作業(yè)功能不同，可將其分為提升絞車、回柱絞車、運(yùn)輸絞車、調(diào)度絞車等，其中，調(diào)度及運(yùn)輸絞車由于結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、所占空間較小等特點(diǎn)，在煤礦開采中得到了廣泛應(yīng)用。煤礦中常見的調(diào)度絞車型號包括JD-11.4、JD-25、JD-55 等。但絞車的結(jié)構(gòu)組成基本相同，主要由一級行星架、二級行星架、鋼絲繩、聯(lián)軸器、滾筒、變速箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部件組成[3]。目前，各類型絞車的驅(qū)動(dòng)方式主要采用差動(dòng)方式機(jī)械能調(diào)速控制，在使用中存在操作不便、穩(wěn)定性較差、剎車閘磨損嚴(yán)重等問題[4]。其中，一級行星架作為絞車中的關(guān)鍵部件，也因絞車的特殊作業(yè)工況，導(dǎo)致其經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、開裂或斷裂等失效現(xiàn)象，一旦該部件發(fā)生失效，將會嚴(yán)重影響絞車的作業(yè)效率及作業(yè)安全，保證絞車中各部件不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效，找到其結(jié)構(gòu)存在的薄弱部位，定期對其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，成為當(dāng)前提高部件及絞車作業(yè)安全的關(guān)鍵。

2 一級行星架模型建立

2.1 三維模型建立

為進(jìn)一步掌握一級行星架在使用過程中的綜合性能，找到其結(jié)構(gòu)存在的薄弱部位，結(jié)合JD-25型礦用絞車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了Solidworks 軟件，按照1：1的比例，對其設(shè)備中的一級行星架進(jìn)行了三維模型建立。在建模過程中，主要行星架上的較小非關(guān)鍵特征進(jìn)行了模型簡化，包括較小螺紋孔、圓角、倒角等特征均用實(shí)體進(jìn)行代替[5]，以提高行星架在后文分析中的精度和運(yùn)行速度。所建立的行星架三維模型如圖1 所示。

圖1 一級行星架三維圖

2.2 仿真模型建立

結(jié)合建立的行星架三維模型，將其導(dǎo)入至ANASYS 軟件中，對其建立了仿真模型。由于行星架在使用中采用的是Q235 材料，故在軟件中將其設(shè)置為Q235 材料，屈服強(qiáng)度為235 MPa，材料密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.28，彈性模量為206 GPa，許用強(qiáng)度為180 MPa[6-7]。根據(jù)行星架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為六面體，實(shí)體單元，網(wǎng)格大小設(shè)置為10mm，最終行星架的單元數(shù)量達(dá)到32325個(gè)，其網(wǎng)格劃分圖如圖2 所示。由于一級行星架與二級行星架之間進(jìn)行了固定方式連接，另一端與聯(lián)軸器進(jìn)行花鍵連接，故在一級行星架左板底部進(jìn)行固定約束，右端與聯(lián)軸器連接處進(jìn)行旋轉(zhuǎn)約束。由此，完成了一級行星架的仿真模型建立。

圖2 一級行星架網(wǎng)格劃分圖

3 行星架的結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 應(yīng)力變化分析

在完成一級行星架的仿真分析后，得到了其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化圖，如圖3 所示。得出行星架的左右板上的應(yīng)力分布較為均勻，但最大應(yīng)力出現(xiàn)在右板上，其值為236.23 MPa，超過其材料的屈服強(qiáng)度235 MPa，在右板與中部軸套之間也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其值為214.25 MPa，也相對較高；而行星架的中部支撐筋出現(xiàn)了中間應(yīng)力較大，兩端應(yīng)力較小的變化趨勢。分析其原因?yàn)椋行羌艿闹虚g的軸套主要與聯(lián)軸器進(jìn)行連接，在旋轉(zhuǎn)扭矩作用下，使得右板及軸套根部的應(yīng)力相對較高。右板及與軸套連接的根部成為整個(gè)結(jié)構(gòu)上的薄弱部位，行星架長時(shí)間的使用及運(yùn)行，將極容易率先在此處發(fā)生結(jié)構(gòu)變形、開裂等失效現(xiàn)象，需重點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

圖3 一級行星架應(yīng)力變化圖

3.2 位移變化分析

經(jīng)過行星架的仿真分析后，得到了其結(jié)構(gòu)的位移變化圖，如圖4 所示。由圖可知，行星架整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了位移變化不均勻現(xiàn)象，最大變化位移發(fā)生在行星架的左板上，其值為0.042 6 mm，并沿著右板，位移呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢，行星架中部支撐、右板及軸套等部位的位移變化相對較小。分析其原因?yàn)樾行羌苡捎谧蟀逶谑褂弥谐使潭s束狀態(tài)，而右端由于受到較大的旋轉(zhuǎn)扭矩作用，扭矩力經(jīng)過傳遞，最終作用在左板上，導(dǎo)致該部位的結(jié)構(gòu)位移相對較高。由此，在使用中，應(yīng)重點(diǎn)對行星架的左板進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

圖4 一級行星架位移變化圖

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

結(jié)合前文分析，得到了一級行星架的右板及與軸套連接的根部為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在使用中，極容易率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形、開裂等疲勞失效現(xiàn)象，對絞車的正常運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為此，需對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1）將一級行星架的材料改為屈服強(qiáng)度更高的45 號鋼材料，使其材料的屈服強(qiáng)度增加至355 MPa，以提高其結(jié)構(gòu)的綜合性能；

2）在行星架右板及軸套根部的最大應(yīng)力集中區(qū)域附近開設(shè)Φ2 mm 左右的較小圓孔，形成塑性鉸結(jié)構(gòu)，使得集中的應(yīng)力能轉(zhuǎn)移至圓孔處，降低并分散該區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

3）增加右板的厚度1～2 mm，并在右板與軸套根部四周均勻焊接6 個(gè)較小加強(qiáng)筋板，使得軸套根部在受到較大扭矩作用時(shí)具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

4）針對在行星架上左右板上的連接螺栓，選用直徑更大的螺栓，使得行星架與對應(yīng)部件連接時(shí)，螺栓能承受更大的扭矩作用力，加強(qiáng)部件之間的連接強(qiáng)度；

5）定期對行星架在使用中的結(jié)構(gòu)變形情況、開裂、斷裂等情況進(jìn)行觀察、維護(hù)，出現(xiàn)故障問題時(shí)，應(yīng)及時(shí)對其進(jìn)行加固或部件更換，以保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。

5 結(jié)語

結(jié)合一級行星架在使用中的情況，針對其存在的薄弱問題，不斷對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，成為提升行星架結(jié)構(gòu)性能、保證絞車作業(yè)安全的重點(diǎn)工作。當(dāng)前應(yīng)用較為成熟、有效的方法則為有限元分析方法。為此，以JD-25型礦用絞車一級行星架為分析對象，對其開展了其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化及位移變化研究，得到了行星架的右板及與軸套連接的根部為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，找到其結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，提出了行星架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施，這對提高一級行星架的使用壽命及礦用絞車的高效運(yùn)行安全起到了重要保障作用。