王衛(wèi)新

（同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司綜采二隊(duì)，山西 大同 037024）

引言

為了提高煤炭的生產(chǎn)效率，降低設(shè)備的能耗，必須提高煤炭開(kāi)采的生產(chǎn)技術(shù)，以及保證采煤機(jī)工作過(guò)程中關(guān)鍵零部件的耐久性以及可靠性。采煤機(jī)的牽引系統(tǒng)是比較復(fù)雜而精密的，是集成電控與機(jī)械等多學(xué)科的復(fù)雜耦合系統(tǒng)。因此，在實(shí)際工作過(guò)程中采煤機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)容易發(fā)生故障，如變速箱故障、曲桿裂紋、行星架變形扭曲等。此外，行星輪的受力情況復(fù)雜，傳遞的載荷大，也極易出現(xiàn)故障[1]。

1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

采煤機(jī)是一種大型綜合性的煤炭開(kāi)采設(shè)備，包括對(duì)煤炭的截割、行走、調(diào)節(jié)高度等結(jié)構(gòu)，采煤機(jī)的一般結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。根據(jù)所屬區(qū)域以及功能的不同，可以將采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)分為截割部、牽引部、中間箱等三個(gè)部件。其中，截割部的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭的截割、下料，截割部主要包括搖臂、滾筒、傳動(dòng)齒輪箱等結(jié)構(gòu)；采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的前后運(yùn)行，采煤機(jī)的移動(dòng)依靠牽引結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，牽引機(jī)構(gòu)主要包括了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速系統(tǒng)以及走行結(jié)構(gòu)[2]。

圖1 滾筒式采煤機(jī)結(jié)構(gòu)

牽引部是采煤機(jī)的最重要的部分，行走結(jié)構(gòu)與導(dǎo)向滑靴以及行星架等結(jié)構(gòu)是采煤機(jī)工作運(yùn)行的易損部件，是采煤機(jī)可靠性研究的重點(diǎn)對(duì)象。MG710-WD采煤機(jī)是一種體積小巧，性能可靠的采煤機(jī)，該型采煤機(jī)可適應(yīng)的采高范圍為1.6~3.9 m，可適應(yīng)煤層傾角≤60°；采煤機(jī)機(jī)面高度為1 800 mm，前后兩個(gè)滾筒的直徑分別為Φ1 900 mm、Φ2 100 mm；采煤機(jī)的最大牽引速度為14.2 m/min。

2 星齒輪傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析

采煤機(jī)的兩級(jí)行星齒輪工作環(huán)境比較復(fù)雜，是因?yàn)樵诓擅簷C(jī)的行走與牽引過(guò)程中都需要行星齒輪的參與，且行星齒輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜、齒輪之間的嚙合存在較大的內(nèi)部激勵(lì)，由此可能產(chǎn)生較大的設(shè)備振動(dòng)，齒輪在波動(dòng)性的疲勞載荷作用下容易產(chǎn)生破壞，所以行星齒輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度嚴(yán)重影響到了設(shè)備的可靠性。同時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)載荷的不斷變化，行星齒輪的受力情況更加復(fù)雜，易導(dǎo)致齒輪發(fā)生齒根斷裂或引發(fā)輪齒齒根處產(chǎn)生裂紋[3]。

行星齒輪若出現(xiàn)故障，整個(gè)采煤機(jī)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)都將失效，從而導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法運(yùn)行，企業(yè)生產(chǎn)面臨停擺。研究齒輪的受力特征，可以從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真方面入手。下頁(yè)圖2為有限元?jiǎng)恿W(xué)分析的流程示意圖。首先，需要建立二級(jí)行星齒輪的三維實(shí)體模型，并導(dǎo)入有限元分析軟件中，結(jié)合兩級(jí)行星齒輪機(jī)構(gòu)行星架的柔性變形特點(diǎn)，在分析軟件中建立行星齒輪的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。根據(jù)行星齒輪的受力情況與邊界條件，設(shè)置仿真模型，并根據(jù)仿真分析的結(jié)果，得到齒輪嚙合的仿真結(jié)果。

圖2 動(dòng)態(tài)仿真流程圖

3 兩級(jí)行星傳動(dòng)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>

3.1 建立剛體模型

采煤機(jī)的兩級(jí)行星傳動(dòng)系統(tǒng)主要由一級(jí)太陽(yáng)輪、行星輪、外齒圈等結(jié)構(gòu)組成，利用UG軟件建立兩級(jí)行星傳動(dòng)模型的三維模型。以parasolid中間文件格式導(dǎo)入到ADAMS動(dòng)力分析軟件中，設(shè)置材料、約束、載荷等信息[4]。

3.2 創(chuàng)建柔性體模型

兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在傳動(dòng)系統(tǒng)中承受了較大的力，在ADAMS軟件中為了模擬行星齒輪的柔性體模型，通過(guò)模態(tài)疊加合成的方式來(lái)描述彈性體。在ADAMS軟件中建立柔性體的方式可以采用先在有限元分析軟件中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理，將模型離散為比較有規(guī)律的小網(wǎng)格，再進(jìn)行CB模態(tài)分析，然后將計(jì)算的中間結(jié)果導(dǎo)入到ADAMS中。

在此利用了ANSYS軟件來(lái)建立兩級(jí)行星齒輪的柔性模型，兩級(jí)行星架的有限元模型如圖3所示。已知行星架的材料為30CrMnTi，其楊氏彈性模量為2.07×1011Pa，材料密度為7.86×10-6kg/mm3，該材料的泊松比為0.3，屈服極限為2.3×109Pa，材料的剪切模量為5.6×105Pa；其余行星輪材料為23Mn-CrNiMo，泊松比為0.25，彈性模量為210 GPa[5]。

圖3 兩級(jí)行星架有限元模型圖

3.3 添加約束與接觸創(chuàng)建

在兩級(jí)行星齒輪之間設(shè)置相應(yīng)的約束，以反映行星減速器真實(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)兩級(jí)行星齒輪的實(shí)際工作特點(diǎn)對(duì)模型施加相應(yīng)的約束與接觸條件。一級(jí)外齒圈與大地之間設(shè)置為固定約束，一級(jí)太陽(yáng)輪與一級(jí)外齒圈之間設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副，一級(jí)太陽(yáng)輪與一級(jí)行星架之間同樣設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副，二級(jí)行星架與大地之間設(shè)置為固定副。

行星齒輪之間通過(guò)接觸傳遞載荷與運(yùn)動(dòng)，所以在所有齒輪與行星架等結(jié)構(gòu)接觸的位置上設(shè)置接觸約束，利用庫(kù)倫摩擦方法計(jì)算摩擦力，同時(shí)需要考慮齒輪之間的接觸剛度與阻尼設(shè)置[6]。

3.4 添加驅(qū)動(dòng)與負(fù)載

已知采煤機(jī)的牽引總電機(jī)的額定功率為180 kW，在電機(jī)額定的工作狀態(tài)下，計(jì)算行星架與行星齒輪之間的接觸力；已知太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速為700°/s，二級(jí)行星架輸出的轉(zhuǎn)矩為T(mén)1=9 802 N·m。

4 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在ADAMS軟件仿真求解器中設(shè)置仿真參數(shù)為4 s，步長(zhǎng)設(shè)置為0.001 s，求解完之后提取了二級(jí)行星齒輪的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)以及應(yīng)力應(yīng)變的情況，下面分別對(duì)其嚙合特征的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行介紹。

4.1 行星齒輪嚙合力分析

根據(jù)齒輪嚙合的特點(diǎn)可知，齒輪嚙合的法向載荷Fn方向垂直于齒面，法向載荷可以分解為徑向力Fr以及垂直于徑向的圓周力Ft。

ADAMS后處理中輸出各級(jí)行星齒輪與太陽(yáng)輪在X方向的嚙合力在時(shí)域上的曲線，如圖4所示，由于篇幅所限，其他齒輪的計(jì)算結(jié)果不再一一列舉。

圖4 一級(jí)太陽(yáng)輪行星輪X向嚙合力曲線

4.2 行星架動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變分析

根據(jù)仿真分析的計(jì)算結(jié)果，可以輸出二級(jí)行星齒輪的應(yīng)力與應(yīng)變情況，以行星架為例對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。如圖5所示為一級(jí)行星架應(yīng)力云圖，應(yīng)力云圖可以看出兩級(jí)行星架的最大應(yīng)力都集中在行星架輸出軸前端以及軸孔處，此處為行星架的薄弱環(huán)節(jié)。一級(jí)行星架的最大應(yīng)力達(dá)到175 MPa，與其實(shí)際結(jié)構(gòu)受力情況相似。

圖5 一級(jí)行星架應(yīng)力（Pa）云圖

行星輪各機(jī)構(gòu)之間的嚙合力具有周期性變化的特點(diǎn)，一級(jí)行星齒輪受到的嚙合力更大，同時(shí)嚙合的頻率也更高，所以導(dǎo)致一級(jí)行星齒輪在實(shí)際工作中更容易產(chǎn)生破壞。通過(guò)對(duì)兩級(jí)行星架的應(yīng)力及應(yīng)變分布及變化規(guī)律進(jìn)行分析，得到兩級(jí)行星架的最大應(yīng)力都集中在行星架輸出軸與前側(cè)板的連接處以及行星齒輪軸孔處，最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)都位于行星架軸孔處。因此在齒輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)該重點(diǎn)考慮在此區(qū)域的優(yōu)化。

5 結(jié)論

采煤機(jī)在井下工作環(huán)境中，所承受的載荷工況復(fù)雜多變，二級(jí)行星齒輪是采煤機(jī)重要的傳動(dòng)齒輪，因此分析行星齒輪的受力狀況，對(duì)研究提高行星齒輪的可靠性具有重要參考意義，同時(shí)對(duì)提高采煤機(jī)的使用壽命也有重要意義。首先建立二級(jí)行星齒輪的柔性耦合動(dòng)力學(xué)分析模型，對(duì)其嚙合的動(dòng)力學(xué)特征、以及應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析。分析結(jié)果顯示各級(jí)行星齒輪傳動(dòng)嚙合力呈周期性變化，一級(jí)行星齒輪受到的嚙合力更大，同時(shí)嚙合的頻率也更高，所以導(dǎo)致一級(jí)行星齒輪在實(shí)際工作中更容易產(chǎn)生破壞。