馬 超

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048214）

引言

目前，隨著機(jī)械化采掘的發(fā)展，掘進(jìn)機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，其工作能力、開(kāi)采量等有了一個(gè)較大的提高，但由于工作環(huán)境比較惡劣，地質(zhì)條件差，導(dǎo)致煤炭開(kāi)采設(shè)備容易發(fā)生故障，尤其是掘進(jìn)機(jī)。后期的使用導(dǎo)致設(shè)備使用過(guò)程中振動(dòng)加大和振動(dòng)噪音加劇，甚至影響到設(shè)備的使用壽命[1]。

掘進(jìn)機(jī)截割不同的煤炭時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較劇烈的振動(dòng)，減速器的一級(jí)行星傳動(dòng)、二級(jí)行星傳動(dòng)以及減速器整體之間的振動(dòng)耦合特性對(duì)設(shè)備的可靠性具有重要影響。為了提高設(shè)備的使用性能以及可靠性，研究提高減速器的耦合特性，可有效提高設(shè)備的使用壽命。減速器耦合特性的分析對(duì)于后期減速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要參考意義和價(jià)值，對(duì)礦用行星減速器的研發(fā)具有一定的理論指導(dǎo)意義[2]。

1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

掘進(jìn)機(jī)雖然型號(hào)各異，但其基本的原理以及工作機(jī)構(gòu)整體都是相同的，掘進(jìn)機(jī)一般結(jié)構(gòu)包括截割頭、懸臂、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、走行機(jī)構(gòu)、變速器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，掘進(jìn)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有動(dòng)力源產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，然后經(jīng)變速器轉(zhuǎn)換，直接作用于截割臂，下面對(duì)其主要結(jié)構(gòu)的組成部分做簡(jiǎn)要介紹。

圖1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)

1）截割頭：直接與煤炭作用，起到對(duì)煤炭的破碎、截割作用，其上裝有截割用的道具，受電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制，并具有多個(gè)方向的自由度。

2）懸臂結(jié)構(gòu)：主要由回轉(zhuǎn)油缸和回轉(zhuǎn)臺(tái)組成，回轉(zhuǎn)支撐油缸主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)角度。

3）裝運(yùn)機(jī)構(gòu)：與刮板輸送機(jī)相連，主要負(fù)責(zé)將截割破碎下來(lái)定位煤礦傳送到刮板輸送機(jī)上，實(shí)現(xiàn)與輸送機(jī)的銜接。

4）液壓控制系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)主要包括液壓電機(jī)、液壓泵、控制閥組、液壓油缸以及其他控制元器件，主要負(fù)責(zé)為掘進(jìn)機(jī)主要部件提供液壓動(dòng)力。

5）走行機(jī)構(gòu)：履帶式走行機(jī)構(gòu)，具有較強(qiáng)的通過(guò)能力，可實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)以及方向調(diào)轉(zhuǎn)等動(dòng)作。

2 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析理論從20 世紀(jì)70 年代出現(xiàn)到現(xiàn)在，短短幾十年的時(shí)間，該理論得到了比較大的發(fā)展與應(yīng)用。目前，模態(tài)分析的計(jì)算也應(yīng)用到了各種工程領(lǐng)域，有助于了解結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，對(duì)于產(chǎn)品可靠性以及使用壽命的提高具有重要作用。借助有限元分析方法，可以處理大型復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題，有限元的基本處理思路就是將一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，建立起傳動(dòng)系統(tǒng)的特征值數(shù)學(xué)模型，從而計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的固有頻率與振型特征[3]。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得利用有限元模態(tài)分析方法來(lái)求解和分析傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率、振型特征等變得比較容易實(shí)現(xiàn)。其基本思路是通過(guò)建立常微分方程，得到模型的振動(dòng)特性，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。利用計(jì)算機(jī)計(jì)算分析就省去了模型建模、構(gòu)建微分方程，由于篇幅所限，不再對(duì)其理論方程的推導(dǎo)作過(guò)多說(shuō)明。

3 分析模型的建立

3.1 加載及求解

在計(jì)算分析模型的模態(tài)時(shí)其邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響并不大，因此在定義邊界條件與施加載荷時(shí)，設(shè)定為零位移約束，若指定了非零位移約束，即達(dá)到了簡(jiǎn)化計(jì)算模型的目的，同時(shí)計(jì)算出有效的模態(tài)頻率。在有限元的分析軟件中，使用接觸耦合關(guān)系處理一級(jí)與二級(jí)行星齒輪之間的接觸嚙合，定義齒輪的約束方程，以確保仿真分析的結(jié)果更加接近于真實(shí)的載荷情況[4]。

3.2 有限元模型建立

3.2.1 建模

減速器的振動(dòng)特性對(duì)減速器的使用壽命、運(yùn)行平穩(wěn)性、噪音等有重要影響，齒輪的承力要求比較高，單級(jí)斜齒輪傳遞的功率大概為170 kW，額定工作轉(zhuǎn)速為1 860 r/min，在有限元分析軟件中建立齒輪的分析模型，劃分網(wǎng)格并做材料定義，如圖2 所示，為一級(jí)和二級(jí)行星齒輪網(wǎng)格處理模型，因?yàn)辇X輪的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，為了簡(jiǎn)化計(jì)算量，可以取齒輪的1/4 模型來(lái)仿真計(jì)算[5]。

圖2 網(wǎng)格模型處理

3.2.2 載荷與邊界

根據(jù)行星減速器的實(shí)際傳動(dòng)情況設(shè)置模型的載荷與邊界條件，在軸承的輸入與輸出端進(jìn)行位移約束，只釋放其軸向旋轉(zhuǎn)自由度。設(shè)置太陽(yáng)輪與行星齒輪以及行星齒輪與齒輪之間的嚙合接觸，僅釋放行星齒輪軸向旋轉(zhuǎn)自由度，同時(shí)在一級(jí)減速齒輪輸入段表面施加大小為1 680 r/min 的轉(zhuǎn)速和T3=1 090 N·m 的轉(zhuǎn)矩；在二級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪軸段表面施加大小800 r/min 的轉(zhuǎn)速和T4=1 920 N·m 的轉(zhuǎn)矩[6]。

4 減速器模態(tài)分析結(jié)果

在振動(dòng)系統(tǒng)的理論中，一般系統(tǒng)的低階模態(tài)振幅較大，對(duì)設(shè)備的影響也更大，在劇烈的振動(dòng)下出現(xiàn)零件之間的配合產(chǎn)生較大的誤差，從而產(chǎn)生明顯的振動(dòng)沖擊噪音，由此可能會(huì)造成設(shè)備使用壽命的降低。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，齒輪與軸銷之間同樣存在間隙，因此減速器的軸向竄動(dòng)同樣會(huì)產(chǎn)生比較明顯的噪音。根據(jù)仿真系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，提取了行星減速器的一級(jí)齒輪與二級(jí)齒輪的前四階模態(tài)計(jì)算結(jié)果，由于篇幅所限，只對(duì)前三階模態(tài)的振型進(jìn)行展示。

4.1 一級(jí)齒輪計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模態(tài)計(jì)算結(jié)果可知：一級(jí)行星齒輪的第一階模態(tài)的頻率為97.57 Hz，其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)特點(diǎn)是軸向竄動(dòng)；第二階模態(tài)計(jì)算得到的頻率為125.71 Hz，其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)特點(diǎn)仍然是沿軸向的竄動(dòng)；第三階模態(tài)為154.82 Hz，其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)特點(diǎn)依然是沿軸向竄動(dòng)；第四階模態(tài)計(jì)算結(jié)果為197.45 Hz，其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)特點(diǎn)是套筒沿軸向方向的竄動(dòng)。如圖3 所示，為一級(jí)行星齒輪前三階模態(tài)振型圖。

圖3 一級(jí)行星輪系前三階模態(tài)振型

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，傳動(dòng)系統(tǒng)一級(jí)行星減速器各階固有頻率相對(duì)比較分散，從97.57～197.45 Hz，且減速器的振動(dòng)特性也在發(fā)生變化，在低頻區(qū)主要振動(dòng)特點(diǎn)就是齒輪沿軸向竄動(dòng)。因此，在減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮齒輪軸向竄動(dòng)的問(wèn)題，避免齒輪產(chǎn)生較大的軸向竄動(dòng)，而引起設(shè)備比較嚴(yán)重的振動(dòng)噪音，甚至嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命。齒輪軸向竄動(dòng)，可能會(huì)使得減速器穿動(dòng)力不足而影響到掘進(jìn)機(jī)的截割能力，因此對(duì)設(shè)備的危害較大。

4.2 二級(jí)齒輪計(jì)算結(jié)果

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可知：二級(jí)行星齒輪減速器前四階模態(tài)計(jì)算結(jié)果分別為：一階模態(tài)頻率為96.35 Hz，振動(dòng)特點(diǎn)為行星齒輪軸向竄動(dòng)；二階模態(tài)計(jì)算結(jié)果為125.37 Hz，振動(dòng)特點(diǎn)是行星齒輪沿軸向的竄動(dòng)；第三階模態(tài)與第四階模態(tài)頻率分別為275.97 Hz 與289.14 Hz，振動(dòng)特點(diǎn)都為沿軸向方向的竄動(dòng)。二級(jí)行星輪系前三階模態(tài)振型如圖4 所示。

圖4 二級(jí)行星輪系前三階模態(tài)振型

根據(jù)前四階的模態(tài)計(jì)算結(jié)果可知，其固有頻率比較分散，同時(shí)掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)特性都一樣，即齒輪沿軸向方向的竄動(dòng)。通過(guò)觀察二級(jí)行星齒輪的振動(dòng)特性可知，振動(dòng)有強(qiáng)有弱，振動(dòng)的形式也比較復(fù)雜，但其相似的特點(diǎn)都是沿軸向的振動(dòng)，說(shuō)明二級(jí)行星齒輪同樣存在沿軸向振動(dòng)的情況。

5 結(jié)論

1）一級(jí)行星齒輪最低固有頻率為97.57 Hz、二級(jí)行星齒輪的最低固有頻率為96.35 Hz，其均有沿軸向方向的竄動(dòng)，所以對(duì)減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮限制軸向位移，以避免設(shè)備產(chǎn)生比較劇烈的振動(dòng)。

2）在設(shè)備的使用中，應(yīng)避開(kāi)前幾階固有頻率，對(duì)掘進(jìn)機(jī)減速器模態(tài)分析研究。