王 堃

（長溝煤礦有限責任公司，山西 和順 032700）

引言

行星架作為礦用刮板輸送機減速器的重要組成部分，其不僅需要具有較高的強度與剛度，還需要在滿足行星架基本功能的情況下，最大限度控制其體積和質(zhì)量大小，并保障整體減速器結(jié)構(gòu)的最優(yōu)性。然而傳統(tǒng)的計算方法難以實現(xiàn)行星架的有效檢核分析，所以提出一種有限元分析方法，通過靜力結(jié)構(gòu)和模態(tài)分析兩個角度來對礦用刮板輸送機行星架進行檢驗分析，保證檢驗結(jié)果精準性的同時，降低行星架檢驗分析難度。

1 礦用刮板輸送機減速器結(jié)構(gòu)特點

礦用刮板輸送機所采用的減速機構(gòu)多為行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)根據(jù)與刮板輸送機溜槽的相對位置進行分類，可分為垂直安裝行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)和平行安裝新型齒輪傳動結(jié)構(gòu)兩種。其中垂直安裝行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)主要采用兩級行星傳動機構(gòu)；平行安裝行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)則由兩級主動輪、兩級從動輪、太陽輪、行星輪等結(jié)構(gòu)共同組成。在兩類行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)中，平行安裝新型齒輪傳動結(jié)構(gòu)在綜采工作面的應(yīng)用更多。

2 礦用刮板輸送機行星架模型構(gòu)建

根據(jù)礦用刮板輸送機行星架模型實際情況，通過Solidworks 三維建模軟件對行星架進行三維建模，為降低后續(xù)計算機仿真模擬分析時計算壓力，需要將行星架模型簡化為圓柱體。然后將所構(gòu)建出的三維模型導入到ANSYS 有限元軟件中，合理設(shè)置材料及參數(shù)。在具體有限元分析中所采用的材料為QT900-8 材料，此種材料的密度、彈性模量、泊松比、拉伸屈服強度分別為7.09 g/cm3、169 GPa、0.305、600 MPa。最后為模型進行網(wǎng)格劃分，最終劃分出342 004 個節(jié)點和204 339 個單元，所構(gòu)建出的網(wǎng)格劃分模型如圖1 所示。

圖1 行星架網(wǎng)格劃分模型

此外，在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)劃分模型后，還需要對模型施加載荷及設(shè)定邊界條件：首先，將行星架輸入端的腹板設(shè)置為全約束，而行星架輸出端的腹板則不設(shè)置約束。其次，對行星架輸入端和輸出端軸承安裝區(qū)域配置有無滑動支撐約束。再次，為行星架輸入端和輸出端施加載荷，具體載荷條件設(shè)置為額定輸出扭矩。最后，考慮到行星架在正常運行過程中會受到重力的影響，所以還需要為行星架設(shè)置重力加速度，以此為后續(xù)模態(tài)分析提供基礎(chǔ)保障[1-2]。

3 礦用刮板輸送機行星架有限元分析

3.1 靜力結(jié)構(gòu)

所謂靜力結(jié)構(gòu)分析，就是指忽略慣性、阻尼等影響因素，在靜態(tài)載荷的作用下，整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)處于靜力平衡狀態(tài)。由于靜力結(jié)構(gòu)分析過程中不考慮慣性和阻尼，所以結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的質(zhì)量將不會對整體結(jié)構(gòu)性能造成影響，可以有效獲取理想結(jié)構(gòu)性能分析結(jié)果，進而為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要參考。

由于具體有限元分析過程中采用整體式結(jié)構(gòu)，所以此有限元方法具有以下優(yōu)勢：

1）可以滿足公司的批量化生產(chǎn)；

2）整個行星架結(jié)構(gòu)可采用球墨鑄鐵材料進行一體化鑄造，降低制造難度的同時，還能夠保障行星架整體結(jié)構(gòu)性能的一致性；

3）整體式結(jié)構(gòu)采用國際先進的等溫淬火熱處理工藝，可進一步提高行星架整體性能，滿足礦用刮板輸送機的實際運行需求；

4）整體式結(jié)構(gòu)在加工定位時基準誤差更小，可以保障定位基準的全面統(tǒng)一。

如圖2 所示，礦用刮板輸送機行星架的最大位移值為0.223 mm，其中最大位移點處于行星架輸送段腹板區(qū)域。如圖3 所示，礦用刮板輸送機行星架的最大應(yīng)力值為421.28 MPa，最大應(yīng)力點同樣位于行星架輸送段腹板區(qū)域。同時，礦用刮板輸送機行星架所采用的材料為QT90o-8，此種材料的拉伸屈服強度為600 MPa，而行星架的最大應(yīng)力值僅為421.28 MPa，低于此數(shù)值，說明行星架所承受的應(yīng)力值可以滿足材料和結(jié)構(gòu)需求。

圖2 行星架等效位移云圖

圖3 行星架等效應(yīng)力云圖

3.2 模態(tài)分析

基于現(xiàn)有研究成果可知，模態(tài)分析具有以下幾方面作用：

1）模態(tài)分析可以為設(shè)計時提供更為精準有效的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼以及模態(tài)質(zhì)量的全面分析評估參考；

2）模態(tài)分析可用于有限元分析模型的修正指導，進而促使有限元分析模型得到進一步優(yōu)化和改進；

3）通過模態(tài)試驗可用于構(gòu)建結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中某一構(gòu)件的數(shù)學模型，并將此模型組合到整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，保障結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的科學性；

4）模態(tài)分析可用于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學分析，進而實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靈敏度以及計算反問題分析研究效果；

5）模態(tài)分析可用于實現(xiàn)構(gòu)件的響應(yīng)計算和載荷識別分析。

在完成行星架的靜力結(jié)構(gòu)分析后，可通過ANSYS 軟件中的Workbench 模塊來實現(xiàn)行星架的模態(tài)分析。具體分析過程中應(yīng)先構(gòu)建一個預應(yīng)力模態(tài)分析系統(tǒng)，然后將靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析中所獲取的各類參數(shù)結(jié)構(gòu)作為模態(tài)分析邊界條件，導入到預應(yīng)力模態(tài)分析系統(tǒng)中，進而獲取模態(tài)分析系統(tǒng)所輸出的前六階固有頻率，具體情況如圖4 所示。

圖4 行星架模態(tài)分析前六階固有頻率

同時，預應(yīng)力模態(tài)分析系統(tǒng)還可以輸出行星架的模態(tài)振型，具體情況如圖5 所示。

圖5 行星架模態(tài)第一階振型

圖5 中結(jié)果為行星架模態(tài)第一階振型，其他階振型結(jié)構(gòu)獲取過程與第一階振型獲取過程大致相同。通過行星架模態(tài)振型分析結(jié)果可知，行星架的模態(tài)振型主要表現(xiàn)為扭振，并且該扭振具體表現(xiàn)為軸向無扭振，斷面存在扭振的特點。同時，根據(jù)模態(tài)振型分析結(jié)果可知，行星架所發(fā)生的扭振固有頻率為762.62 Hz，此頻率與其他傳動構(gòu)件以及刮板輸送機正常工作頻率存在較大差異，不會出現(xiàn)同頻率共振情況。

4 礦用刮板輸送機行星架模型的工程應(yīng)用

本文針對傳統(tǒng)計算方法難以實現(xiàn)行星架的有效檢核分析這一問題，提出一種有限元分析方法，通過靜力結(jié)構(gòu)和模態(tài)分析兩個角度來對礦用刮板輸送機行星架進行檢驗分析。為能夠進一步驗證此種方法的有效性，在具體研究中還將此有限元分析方法應(yīng)用于工程實踐，具體分析過程中引入多種礦用刮板輸送機的行星架作為具體模型優(yōu)化參考依據(jù)，進而以此有限元分析方法對行星架模型進行優(yōu)化完善，并將優(yōu)化后的模型與現(xiàn)有模型進行匹配對比及有限元分析，最終檢驗優(yōu)化后模型的有效性。根據(jù)實際工程實踐結(jié)果來看，相對于現(xiàn)有礦用刮板輸送機行星架來說，改進后的行星架具有更強的結(jié)構(gòu)性能，并且其扭振固有頻率與礦用刮板輸送機的正常工作頻率存在較大差異，不會存在同頻率共振情況，進而更有利于保障礦用刮板輸送機的正常使用，可以在后續(xù)設(shè)計中進行參考應(yīng)用。

5 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)計算方法中存在的行星架檢核難度大等問題，提出一種有限元分析方法，為驗證此種方法的有效性，將有限元分析方法應(yīng)用于工程實踐，最終發(fā)現(xiàn)相對于傳統(tǒng)方法來說，有限元分析方法更有利于發(fā)現(xiàn)行星架中存在的各類不足，進而及時進行改進優(yōu)化，保障行星架整體設(shè)計的有效性。具體來說，本研究共獲得以下研究成果：

1）針對傳統(tǒng)計算方法的不足，提出一種有限元分析方法。

2）基于有限元分析方法分別開展靜力結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析，其中靜力結(jié)構(gòu)分析可有效發(fā)現(xiàn)行星架存在的結(jié)構(gòu)性能等方面問題；模態(tài)分析可用于發(fā)現(xiàn)行星架存在的模態(tài)振型和固有頻率，避免行星架在具體應(yīng)用中的振型頻率與刮板輸送機其他結(jié)構(gòu)運行頻率保持一致，引發(fā)同頻率共振情況。