李繼旺

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037100）

引言

采煤機作為煤炭掘進(jìn)工作必不可少的裝置，其工作的可靠性直接關(guān)系著井下作業(yè)人員的安全和企業(yè)的經(jīng)濟效益，采煤機服役環(huán)境較為惡劣，其中截割滾筒作為其直接實現(xiàn)煤炭截割的關(guān)鍵部件，受力情況極為復(fù)雜[1-4]。行星架作為采煤機截割部的組成部分，是截割滾筒實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動的基礎(chǔ)，也是承受煤巖沖擊力的關(guān)鍵部位，使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)行星架斷裂故障[5-6]。因此針對某煤炭企業(yè)服役的采煤機截割滾筒行星架出現(xiàn)的斷裂故障，借助ANSYS 仿真計算軟件，開展截割滾筒行星架強度分析與改進(jìn)工作具有重要意義。

1 滾筒采煤機結(jié)構(gòu)及問題

企業(yè)服役的滾筒式采煤機結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，主要由中間箱、牽引部、行走部和截割部四部分組成。中間箱的作用是對采煤機進(jìn)行集中控制；牽引部的作用是采煤機掘進(jìn)過程中為其前行提供電力牽引，實現(xiàn)采煤機沿滑軌向前移動的目的；行走部主要完成牽引力的降速增扭工作，達(dá)到采煤機行走過程的無級變速；截割部作為采煤機的關(guān)鍵組成部件，通過旋轉(zhuǎn)截割頭實現(xiàn)煤層截割前進(jìn)，完成落煤任務(wù)，截割部的動力來源于內(nèi)部行星結(jié)構(gòu)，受力多為變化載荷，行星架工作時既受較大靜載，又受沖擊載荷，使用過程中出現(xiàn)了退刀槽位置破壞問題。為了提高行星架結(jié)構(gòu)的可靠性，有必要對破壞問題進(jìn)行原因分析與改進(jìn)工作。

圖1 滾筒式采煤機結(jié)構(gòu)

2 滾筒行星架有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

查閱采煤機截割滾筒行星架的隨機技術(shù)資料，結(jié)合現(xiàn)場實際測繪結(jié)果，運用Pro/E 三維軟件建立了行星架的三維模型。為了避免后續(xù)模型導(dǎo)入ANSYS仿真計算軟件時不出現(xiàn)錯誤，提高仿真計算效率，對三維模型進(jìn)行了一定的簡化，忽略了對強度分析結(jié)果影響不大的螺栓孔、倒圓角等特征。行星架三維模型如圖2 所示。

圖2 采煤機滾筒行星架三維模型

2.2 材料屬性設(shè)置與網(wǎng)格劃分

將行星架三維模型另存為.igs 格式之后導(dǎo)入ANSYS 仿真計算軟件進(jìn)行材料屬性設(shè)置，行星架材料為42CrMo。具體的材料屬性參數(shù)包括：彈性模量數(shù)值為206 GPa、泊松比數(shù)值為0.3、密度數(shù)值為7 850 kg/m3，屈服強度數(shù)值為630 MPa。完成上述參數(shù)設(shè)置之后即可進(jìn)行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的劃分，運用的是自由劃分網(wǎng)格方法，避免仿真計算中出現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量不佳的問題。

2.3 載荷與約束施加

根據(jù)采煤機實際工作情況，采集得到了截割滾筒行星架所受最大三向力的圖譜，如圖3 所示，X 方向最大載荷約為50 kN，Y 方向最大載荷接近0，Z 方向最大載荷約為25 kN，以行星架軸線為中心，進(jìn)行上述最大工作載荷的施加。為了考慮行星架動載荷的影響，按照檢測得到的最大工作載荷的1.2 倍進(jìn)行仿真計算，以便提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 行星架三向力檢測結(jié)果

2.4 仿真結(jié)果

采煤機截割滾筒行星架ANSYS 仿真計算前處理工作已完成，可以啟動軟件自動求解器進(jìn)行強度分析計算工作，完成仿真計算過程之后，提取行星架強度分析后處理模塊中的等效應(yīng)力分布云圖，如圖4 所示。

圖4 滾筒行星架等效應(yīng)力分布云圖

由圖4的采煤機截割滾筒行星架等效應(yīng)力分布云圖可以看出，行星架運行時的最大等效應(yīng)力數(shù)值為610.25 MPa，出現(xiàn)在行星架的花鍵退刀槽位置，是行星架設(shè)計結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。相較于采煤機截割滾筒行星架材料的屈服強度數(shù)值630 MPa，最大應(yīng)力數(shù)值與其極為接近，可見行星架花鍵退刀槽位置存在較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中情況。結(jié)合實際工作中行星架退刀槽位置出現(xiàn)斷裂故障的情況，可以確定故障出現(xiàn)的原因就是因為該位置存在應(yīng)力集中，因此，為了避免斷裂問題再次出現(xiàn)，提高行星架工作的可靠性，有必要開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)工作。

3 改進(jìn)設(shè)計

3.1 改進(jìn)方案

查閱相關(guān)結(jié)構(gòu)件退刀槽位置應(yīng)力集中問題的改進(jìn)方法，結(jié)合多年的工作經(jīng)驗，給出如下可以采取的改進(jìn)措施：一是用力學(xué)性能更優(yōu)的材料制備行星架，提高行星架整體強度；二是對行星架熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化探索，以便充分發(fā)揮現(xiàn)在42CrMo 材料的強度；三是優(yōu)化行星架本身的結(jié)構(gòu)尺寸，包括孔洞的布置、倒角、圓角尺寸；四是優(yōu)化行星架退刀槽位置的局部結(jié)構(gòu)尺寸，降低行星架退刀槽位置的最大應(yīng)力數(shù)值。綜合考慮行星架的實際應(yīng)用情況及改進(jìn)的難易程度，選擇第四種方法為宜，即適當(dāng)減小退刀槽的深度，在原來基礎(chǔ)上減小0.3 mm。

3.2 改進(jìn)效果

擬定行星架應(yīng)力集中改進(jìn)措施之后重新修改行星架三維模型，再次導(dǎo)入ANSYS 仿真計算軟件進(jìn)行材料屬性、網(wǎng)格劃分、載荷施加等工作，要求與改進(jìn)之前相一致。處理完成之后啟動求解器進(jìn)行改進(jìn)行星架強度分析，提取行星架仿真計算結(jié)果中的等效應(yīng)力分布云圖，如圖5 所示。

圖5 改進(jìn)滾筒行星架應(yīng)力分布云圖

由圖5 改進(jìn)滾筒行星架應(yīng)力分布云圖可以看出，改進(jìn)之后的滾筒行星架退刀槽位置依然存在應(yīng)力集中情況，最大應(yīng)力值為568.46 MPa，相較于改進(jìn)之前，行星架工作時的最大應(yīng)力數(shù)值降低了41.79 MPa，相較于行星架材料的屈服強度數(shù)值630 MPa，改進(jìn)之后行星架的安全系數(shù)為1.108，存在61.54 MPa，足以滿足采煤機截割滾筒行星架可靠運行的要求，改進(jìn)取得了成效。

4 應(yīng)用效果評價

為了驗證仿真計算完成采煤機截割滾筒行星架改進(jìn)的合理性，以改進(jìn)之后行星架的結(jié)構(gòu)模型繪制工程圖紙進(jìn)行零件的加工。將改進(jìn)行星架應(yīng)用于采煤機截割滾筒進(jìn)行試驗，對其進(jìn)行為期4 個月的跟蹤記錄，結(jié)果表明，改進(jìn)行星架運行穩(wěn)定可靠，仿真計算結(jié)果合理準(zhǔn)確。統(tǒng)計結(jié)果顯示，改進(jìn)行星架的應(yīng)用，提高了滾筒工作的可靠性和壽命，降低了采煤機近5%的故障修復(fù)時間，節(jié)約了采煤機的運行維護(hù)人員及成本，提高了綜采工作面采煤設(shè)備近3%的有效工作時間，減少了煤炭掘進(jìn)成本，預(yù)計為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟效益近60 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

行星架作為采煤機截割滾筒正常工作的重要部件，其工作可靠性要求較高。針對某煤炭企業(yè)服役的采煤機截割滾筒行星架出現(xiàn)的斷裂故障，借助ANSYS 仿真計算軟件，開展截割滾筒行星架強度分析工作，結(jié)果表明，行星架退刀槽位置存在應(yīng)力集中是出現(xiàn)斷裂故障的主要原因。通過將行星架退刀槽深度減小0.3 mm，改善了行星架應(yīng)力集中情況。應(yīng)用結(jié)果表明，改進(jìn)行星架后運行穩(wěn)定可靠，提高了滾筒工作的可靠性和壽命，降低了采煤機近5%的故障修復(fù)時間，節(jié)約了采煤機的運行維護(hù)人員及成本，提高了綜采工作面采煤設(shè)備近3%的有效工作時間，減少了煤炭掘進(jìn)成本，為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟效益近60 萬元/年。