田 斌

（陽(yáng)泉市南莊煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司西上莊煤礦，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

目前，煤礦掘進(jìn)機(jī)向著大型化和重載化方向不斷發(fā)展，設(shè)備的重載化必然導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)在工作過(guò)程中承受的載荷工況更加惡劣，因此需要研究和提高減速器零部件的可靠性與使用壽命。在掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，整機(jī)性能和其主要關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)理論和方法欠缺，因此需要單獨(dú)地對(duì)各部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。

掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣，在工作時(shí)所承受的載荷工況較為復(fù)雜，因此需要對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步的探究。尤其是掘進(jìn)機(jī)的變速器裝置，作為主要的傳動(dòng)裝置，對(duì)保障掘進(jìn)機(jī)的使用性能具有重要作用。以EBZ260型掘進(jìn)機(jī)減速器為研究對(duì)象，對(duì)減速器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)齒輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究，使用ANSYS分析了行星齒輪減速器嚙合過(guò)程中應(yīng)力分布情況。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)減速器齒輪結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)意見(jiàn)，對(duì)提高減速器可靠性具有重要意義[1]。

1 EBZ260掘進(jìn)機(jī)概述

EBZ260型掘進(jìn)機(jī)是一種結(jié)構(gòu)優(yōu)越、可靠性好，被廣泛使用的掘進(jìn)機(jī)，由于我國(guó)煤炭的需求量與消耗量均較大，因此對(duì)掘進(jìn)機(jī)的使用需求大。EBZ260型懸臂式掘進(jìn)機(jī)總長(zhǎng)度為10 850 mm，總高度為1 820 mm。整備質(zhì)量為85 t，設(shè)備供電電壓為1 140 V，總裝機(jī)功率為425 kW，掘進(jìn)機(jī)切割高度和寬度分別為4 500 mm、5 700 mm。

EBZ260型掘進(jìn)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括截割機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、走行機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)系統(tǒng)等，如圖1所示，為EBZ260型掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。掘進(jìn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)包括截割頭、懸臂機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、裝載鏟板、行走機(jī)構(gòu)、穩(wěn)定器、刮板輸送機(jī)等部件。減速器是將由液壓泵產(chǎn)生的動(dòng)力經(jīng)過(guò)變速出后力直接驅(qū)動(dòng)截割頭，可見(jiàn)行星齒輪減速器是掘進(jìn)機(jī)中的關(guān)鍵部件[2]。

圖1 EBZ260型掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)

2 行星齒輪減速器

行星齒輪減速器的最大特點(diǎn)是在傳遞載荷的同時(shí)，將輸功率進(jìn)行分流，輸入端與輸出端具有同軸性，通過(guò)控制不同的傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的控制，同時(shí)齒輪傳動(dòng)還具有傳動(dòng)效率高（約為98%）、承載能力大、傳動(dòng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。適用于傳動(dòng)速率較高、扭矩較大的應(yīng)用場(chǎng)景，掘進(jìn)機(jī)上的行星減速器齒輪的受力情況較復(fù)雜，因此需要對(duì)其中的傳動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。

一般在齒輪箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要求齒輪傳動(dòng)的安全系數(shù)要大于2.0，且要具有一定的使用壽命以及結(jié)構(gòu)可靠性。在此對(duì)EBZ260型掘進(jìn)機(jī)減速器結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)要介紹，該減速器結(jié)構(gòu)采用2Z-H型行星減速器結(jié)構(gòu)，減速器輸入端轉(zhuǎn)速，行星齒輪的傳動(dòng)比為5.53，如下頁(yè)圖2 所示，為行星減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[3]，根據(jù)軸端輸入的扭矩與各齒輪之間的轉(zhuǎn)動(dòng)比，即可計(jì)算出各齒輪界面位置所受切向力的大小，在此不再對(duì)載荷的計(jì)算做過(guò)多說(shuō)明。

圖2 行星減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 有限元模型建立

有限元分析模型的建立，首先是基于EBZ260型掘進(jìn)機(jī)工程圖紙建立減速器的三維模型，并將三維模型導(dǎo)入ANSYS 做分析前處理，特別是設(shè)定齒輪之間嚙合接觸的耦合關(guān)系，下面對(duì)有限元建模過(guò)程做簡(jiǎn)要說(shuō)明。

3.1 三維模型建立

對(duì)模型做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化優(yōu)化，由于在分析時(shí)主要計(jì)算行星輪與心軸以及內(nèi)圈之間相互作用，其他的結(jié)構(gòu)可以適當(dāng)考慮簡(jiǎn)化。建模過(guò)程中做如下幾點(diǎn)簡(jiǎn)化處理：

1）由于齒輪結(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)的，在做靜態(tài)分析時(shí)可只取模型的1/4 模型作為有限元分析模型；

2）在分析時(shí)不考慮軸承的作用，模型中直接采用同樣的材料代替；

3）取消齒輪上的鍵槽、小孔等不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的結(jié)構(gòu)[4]。

3.2 材料屬性設(shè)置

根據(jù)行星輪減速器的實(shí)際結(jié)構(gòu)，可以確定其中關(guān)鍵的零部件如行星輪結(jié)構(gòu)材料均為20CrMnTi；心軸所使用的材料為45 號(hào)；內(nèi)齒圈材料40CrMo；已知20CrMnTi 彈性模量為212 GPa，泊松比為0.289，屈服極限為993 MPa。心軸的材料為45 號(hào)，彈性模量E的取值為209 GPa，泊松比為0.269，屈服極限為501 MPa。40CrMo 材料的彈性模量E的取值為211 GPa，泊松比為0.29，材料屈服極限869 MPa。

3.3 網(wǎng)格劃分

如圖3 所示，為行星減速器網(wǎng)格劃分模型示意圖，由于減速器結(jié)構(gòu)相對(duì)比較對(duì)稱(chēng)，因此采用掃略網(wǎng)格劃分方法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格處理。采用SOLID45 號(hào)單元，共生成單元總數(shù)為78 619 個(gè)，生成節(jié)點(diǎn)總數(shù)為97 001 個(gè)，不同齒輪之間設(shè)置面接觸，有效模擬齒輪在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的載荷傳遞情況[5]。

圖3 行星減速器網(wǎng)格劃分模型

3.4 載荷與邊界

已知心軸輸入軸所傳遞的扭矩為1 180 N·m，根據(jù)傳動(dòng)比即可計(jì)算出外圓表面上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的切向力。其他需設(shè)定內(nèi)齒圈表面的固定約束，所有齒輪以及心軸均施加一個(gè)軸向位移約束，釋放軸向旋轉(zhuǎn)自由度，設(shè)置齒輪間的相互接觸，可傳遞載荷[6]，模擬出齒輪嚙合的真實(shí)過(guò)程。

4 應(yīng)力分析結(jié)果

模型前處理設(shè)置好后對(duì)該模型進(jìn)行求解，通過(guò)ANSYS 軟件的有限元分析，計(jì)算得到了行星齒輪減速器的應(yīng)力和位移分布規(guī)律。應(yīng)用第四強(qiáng)度理論對(duì)減速器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，由于篇幅所限不再對(duì)減速器的各個(gè)零部件結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果一一列舉。

如圖4 所示為減速器整體應(yīng)力分布情況，最大應(yīng)力為449.6 MPa，最大應(yīng)力值位于行星齒輪與內(nèi)齒圈相嚙合的位置，即兩個(gè)齒輪分度圓相接觸的區(qū)域。如圖5 所示，為減速器整體結(jié)構(gòu)變形示意圖，最大變形量0.091 9 mm，最大變形位于行星輪與內(nèi)圈齒輪嚙合的位置。由此可見(jiàn)行星齒輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可能不夠，為了提高減速器的使用壽命與可靠性，行星輪可使用性能更好的材料。

圖4 減速器整體應(yīng)力（MPa）分布情況

圖5 減速器體結(jié)構(gòu)的總位移（mm）分布

5 優(yōu)化改進(jìn)建議

根據(jù)有限元分析計(jì)算的結(jié)果，雖然內(nèi)齒圈、心軸、行星輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均未超過(guò)材料的屈服極限，行星輪應(yīng)力集中與變形情況對(duì)減速器整體性能有較大的影響。為了合理設(shè)計(jì)三者之間的結(jié)構(gòu)，行星輪輪齒應(yīng)力集中處容易誘發(fā)疲勞裂紋，從而嚴(yán)重縮短減速器使用壽命，因此建議將行星輪材料改為30CrMnTi，并進(jìn)行表面滲碳低溫回火處理，有效提升齒輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與表面硬度、抗磨損能力，對(duì)提高其使用壽命具有重要意義。

6 結(jié)論

1）僅考慮切向作用載荷情況下，計(jì)算了心軸、行星輪、內(nèi)齒圈的應(yīng)力分布情況。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果減速器最大應(yīng)力為449.6 MPa，最大變形量0.091 9 mm。

2）根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變分布特征對(duì)行星輪提出優(yōu)化改進(jìn)方案，即將行星輪材料改為30CrMnTi，并進(jìn)行表面滲碳低溫回火處理，可有效提高設(shè)備使用壽命。