王 健

（陽煤二礦，山西 陽泉 045000）

引言

煤炭作為我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要資源，近年來的需求量呈現(xiàn)出了高速增長的趨勢，相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果顯示，我國煤炭資源占據(jù)石化能源總量的90%以上，煤炭需求量的增加使煤炭采掘工作日漸繁重[1-2]。煤炭的高效采掘不僅關(guān)系著煤炭企業(yè)的經(jīng)濟效益，還與國民經(jīng)濟的健康發(fā)展息息相關(guān)，因此需加強煤炭采掘機械的研究，以便提高煤炭的產(chǎn)量和效率[3]。采煤機作為煤炭采掘作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其功能是落煤和裝煤，應(yīng)用較多的為滾筒式采煤機，預(yù)計占比在90%以上。滾筒作為采煤機的關(guān)鍵組件，其工作的可靠性直接決定了采煤機的性能和效率，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)廣泛關(guān)注[4-5]。雖然現(xiàn)有的采煤機滾筒截割硬煤的能力已有所提高，但是個別部件任然存在強度不足的問題，滾筒行星架就是其中之一[6]。因此針對某型號采煤機滾筒行星架出現(xiàn)破壞的問題，以滾筒行星架為研究對象，借助有限元仿真分析軟件，開展破壞原因分析并提出可行的改進策略具有重要意義。

1 滾筒采煤機結(jié)構(gòu)概述

某型號滾筒式采煤機結(jié)構(gòu)如圖1 所示，組成包括中間箱、牽引部、行走部和截割部。中間箱用于控制整個采煤機的動作；牽引部的主要功能是為行走部傳遞動力，牽引部為電力牽引形式，依靠固定箱底部的滑靴與滑軌支撐推動輸送機正常運行；行走部分在牽引部提供的動力驅(qū)動下實現(xiàn)降速增扭，實現(xiàn)采煤機行進過程中的無極調(diào)速；截割部作為煤炭截割的重要部分，其滾筒旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的截割力直接與煤炭接觸，通過滾筒上分布的截齒實現(xiàn)煤層破碎，利用連續(xù)轉(zhuǎn)動的螺旋葉片將落下的煤炭輸送至采煤機配套的刮板輸送機中，完成煤炭的采掘工作過程。

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

運用SolidWorks 軟件完成滾筒行星架三維模型的建立，為了提高仿真計算的效率，對其進行了一定的簡化，忽略的行星架中不影響仿真計算結(jié)果的倒角等要素，之后即可另存為.igs 格式文件導(dǎo)入ANSYS仿真計算軟件進行強度分析。建立完成的采煤機滾筒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

導(dǎo)入行星架三維模型之后進行材料屬性設(shè)置，行星架材料牌號為ZG42CrMo，材料屬性參數(shù)如下：密度為7 850 kg/m3，屈服強度為630 MPa，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。完成行星架材料屬性設(shè)置之后進行網(wǎng)格劃分，為了提高網(wǎng)格劃分效率，采用自由化分方法完成了行星架網(wǎng)格的劃分工作。

2.3 載荷與約束施加

結(jié)合采煤機實際運行情況，分析計算得出了滾筒行星傳動部件的受力情況如下，太陽輪所受的軸向載荷約為35 kN，行星架所受的軸向載荷大小約為10 kN，作用于行星架軸孔的中心。載荷施加時，將其轉(zhuǎn)換為行星架半圓柱面上的正弦分布載荷，更真實的模擬采煤機滾筒行星架的運行狀態(tài)。

2.4 仿真結(jié)果

完成滾筒行星架有限元仿真分析前處理工作之后即可啟動ANSYS 仿真計算軟件中自帶的求解器，運行滾筒行星架有限元仿真計算程序。完成仿真計算之后調(diào)取滾筒行星架仿真計算結(jié)果中的等效應(yīng)力分布云圖，如圖3 所示。

圖3 滾筒行星架應(yīng)力（Pa）分布云圖

由圖3 滾筒行星架工作過程中的等效應(yīng)力分布云圖可以看出，行星架大直徑端部的工作應(yīng)力高于小直徑端部，最大應(yīng)力值為614 MPa，出現(xiàn)在行星架大直徑端部的連接螺栓孔位置。相較于行星架材料的屈服強度630 MPa，行星架最大工作應(yīng)力與其極為接近，工作過程存在安全隱患，有必要進行改進設(shè)計。分析結(jié)果表明，滾筒行星減速器運行時，行星軸與行星架相當(dāng)于懸臂梁結(jié)構(gòu)，故而出現(xiàn)了行星架大直徑端應(yīng)力值高于小直徑端的情況。

3 改進設(shè)計

3.1 改進方案

類似行星架的結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)強度不足問題時的改進措施如下：更換強度更高的結(jié)構(gòu)件材料，保證整體結(jié)構(gòu)強度滿足使用要求；優(yōu)化結(jié)構(gòu)件的熱處理工藝參數(shù)，實現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)件綜合力學(xué)性能的提高；優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，充分發(fā)揮材料的強度；改變結(jié)構(gòu)件的局部結(jié)構(gòu)，降低結(jié)構(gòu)件局部的最大應(yīng)力。綜合考慮行星架結(jié)構(gòu)改進的難易程度和使用環(huán)境，選擇改變結(jié)構(gòu)件的局部結(jié)構(gòu)的方法進行改進設(shè)計，研究增大行星架大直徑端連接螺栓孔厚度的方法對行星架最大工作應(yīng)力的影響，在原來的厚度值基礎(chǔ)上增加1.5 mm。

3.2 改進效果

按照行星架改進之后的尺寸進行三維模型的修改，再次導(dǎo)入ANSYS 仿真計算軟件進行前處理，要求各個設(shè)置參數(shù)與改進之前一致。完成前處理之后啟動求解器進行行星架強度分析，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4 所示。

圖4 改進后滾筒行星架應(yīng)力（Pa）分布云圖

由圖4 改進后滾筒行星架應(yīng)力分布云圖可以看出，依然是行星架大直徑端的等效應(yīng)力高于小直徑端部，最大應(yīng)力值為572 MPa，處于行星架大直徑端部的連接螺栓孔位置。相較于改進之前，行星架的最大工作應(yīng)力降低了42 MPa，相較于行星架材料的屈服強度630 MPa，存在58 MPa 的安全裕度，足以滿足采煤機滾筒行星架可靠工作的要求，改進效果顯著。

4 應(yīng)用效果分析

為了驗證仿真計算結(jié)果的準確性，根據(jù)行星架仿真計算得到的結(jié)構(gòu)尺寸進行工程制造，將其應(yīng)用于某型號采煤機滾筒減速器當(dāng)中，跟蹤記錄3 個月運行狀況。結(jié)果表明，改進后的行星架運行可靠，滿足滾筒穩(wěn)定工作的要求，仿真計算結(jié)果準確。統(tǒng)計結(jié)果顯示，改進后的滾筒行星架該應(yīng)用提高了滾筒工作的壽命，降低了近15%的采煤機故障停機時間，減少了采煤近10%運行維護成本，提高了近8%綜采工作面內(nèi)掘進設(shè)備的利用率，降低了煤炭成本，為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟效益近150 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。