皇甫杰

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 望云煤礦分公司，山西 高平 048400）

1 概 況

煤礦掘進(jìn)機(jī)截割減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為保障掘進(jìn)機(jī)性能，通常會(huì)采用增加材料使用量等方法，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)截割減速器制造成本增加。針對(duì)該種情況，以望云煤礦EBZ200掘進(jìn)機(jī)截割減速器為研究對(duì)象，在滿足載荷條件的同時(shí)，開(kāi)展合理輕量化設(shè)計(jì)，減少減速器體積質(zhì)量，節(jié)約減速器制造材料，降低制造成本。

2 掘進(jìn)機(jī)截割減速器輕量化設(shè)計(jì)參數(shù)

望云煤礦EBZ200掘進(jìn)機(jī)截割減速器采用YBUD-200/110-4/8型電機(jī)，輸入功率110 kW，額定轉(zhuǎn)速1481/737 r/min。改進(jìn)前的掘進(jìn)機(jī)截割減速器基本參數(shù)如下。

（1）太陽(yáng)輪：一級(jí)太陽(yáng)輪和二級(jí)太陽(yáng)輪的模數(shù)為6、8；齒數(shù)為18、16；齒形角為20°；齒頂高系數(shù)為1；齒寬為80 mm、120 mm；分度圓直徑為108 mm、128 mm；齒頂圓直徑為120 mm、144 mm；齒根圓直徑為93 mm、141 mm；基圓直徑為101.487 mm、120.592 mm。

（2）行星輪：一級(jí)行星輪和二級(jí)行星輪的模數(shù)為6、8；齒數(shù)為26、19；齒形角為20°；齒頂高系數(shù)為1；齒寬為75 mm、112 mm；分度圓直徑為156 mm、152 mm；齒頂圓直徑為168 mm、168 mm；齒根圓直徑為141 mm、132 mm；基圓直徑為146.592 mm、142.833 mm。

（3）內(nèi)齒圈：一級(jí)內(nèi)齒圈和二級(jí)內(nèi)齒圈的模數(shù)為6、8；齒數(shù)為72、56；齒形角為20°；齒頂高系數(shù)為1；齒寬為80 mm、120 mm；分度圓直徑為432 mm、448 mm；齒頂圓直徑為420 mm、432 mm；齒根圓直徑為447 mm、468 mm；基圓直徑為405.947 mm、342.982 mm。

根據(jù)仿真模擬試驗(yàn)和日常使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)EBZ200掘進(jìn)機(jī)截割減速器進(jìn)行輕量化調(diào)整，具體參數(shù)如下。

（1）太陽(yáng)輪：一級(jí)太陽(yáng)輪和二級(jí)太陽(yáng)輪的模數(shù)為5.5、6；齒數(shù)為17、19；齒形角為20°；齒頂高系數(shù)為1；齒寬為80 mm、120 mm；分度圓直徑為93.5 mm、114 mm；齒頂圓直徑為104.5 mm、126 mm；齒根圓直徑為79.75 mm、99 mm；基圓直徑為87.861 mm、107.125 mm。

（2）行星輪：一級(jí)行星輪和二級(jí)行星輪的模數(shù)為5.5、6；齒數(shù)為25；齒形角為20°；齒頂高系數(shù)為1；齒寬為75 mm、113 mm；分度圓直徑為137.5 mm、150 mm；齒頂圓直徑為148.5 mm、162 mm；齒根圓直徑為123.75 mm、135 mm；基圓直徑為129.208 mm、140.954 mm。

（3）內(nèi)齒圈：一級(jí)內(nèi)齒圈和二級(jí)內(nèi)齒圈的模數(shù)為5.5、6；齒數(shù)為67、69；齒形角為20°；齒頂高系數(shù)為1；齒寬為80 mm、120 mm；分度圓直徑為368.5 mm、414 mm；齒頂圓直徑為357.5 mm、402 mm；齒根圓直徑為382.25 mm、429 mm；基圓直徑為346.954 mm、389.033 mm。

3 掘進(jìn)機(jī)截割減速器有限元模型構(gòu)建

根據(jù)EBZ200掘進(jìn)機(jī)截割減速器輕量化設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)SolidWorks軟件構(gòu)建減速器各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的三維幾何模型，包括行星架、太陽(yáng)輪、行星輪、內(nèi)齒輪等，為方便計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，省略模型中倒角、小孔等不影響結(jié)構(gòu)性能的細(xì)節(jié)。對(duì)模型進(jìn)行虛擬裝配，實(shí)施結(jié)構(gòu)件間干涉檢驗(yàn)，確認(rèn)不存在干涉問(wèn)題后，形成如圖1所示的掘進(jìn)機(jī)截割減速器輕量化模型。

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割減速器輕量化模型Fig.1 Lightweight model of roadheader cutting reducer

將掘進(jìn)機(jī)截割減速器輕量化模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，根據(jù)XXX煤礦EBZ200掘進(jìn)機(jī)截割減速器實(shí)際情況，配置10Cr2Ni4A合金結(jié)構(gòu)鋼，單元屬性設(shè)置為C3D8R六面體單元，通過(guò)掃掠實(shí)體網(wǎng)格劃分法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

4 仿真分析

4.1 行星機(jī)構(gòu)

通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行減速器行星機(jī)構(gòu)有限元仿真分析。圖2～圖4為一級(jí)行星輪的等效變形云圖、等效應(yīng)力云圖以及等效應(yīng)變?cè)茍D，其他結(jié)構(gòu)件仿真分析結(jié)果與之類(lèi)似，具體仿真分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 一級(jí)行星輪等效變形云圖Fig.2 Equivalent deformation cloud diagram of first-stage planetary gear

圖4 一級(jí)行星輪等效應(yīng)變?cè)茍DFig.4 Equivalent strain cloud diagram of first-stage planetary gear

如表1所示，掘進(jìn)機(jī)截割減速器輕量化設(shè)計(jì)中一級(jí)行星機(jī)構(gòu)和二級(jí)行星機(jī)構(gòu)中各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的安全系數(shù)均大于1（最大應(yīng)力/許用應(yīng)力），說(shuō)明此次輕量化設(shè)計(jì)。在掘進(jìn)機(jī)截割減速器行星機(jī)構(gòu)中，一級(jí)太陽(yáng)輪和二級(jí)太陽(yáng)輪在有限元仿真分析中所承受的應(yīng)力相對(duì)較大，分別為107.33 MPa和168.79 MPa；其次為行星輪，一級(jí)行星輪和二級(jí)行星輪所承受的應(yīng)力分布為74.612 MPa和167.9 MPa；內(nèi)齒圈所承受的應(yīng)力值相對(duì)較小，一級(jí)內(nèi)齒圈和二級(jí)內(nèi)齒圈所承受的應(yīng)力值分別為30.54 MPa和79.921 MPa。

表1 掘進(jìn)機(jī)截割減速器行星機(jī)構(gòu)有限元仿真結(jié)果Table 1 Finite element simulation results of planetary mechanism of roadheader cutting reducer

圖3 一級(jí)行星輪等效應(yīng)力云圖Fig.3 Equivalent stress cloud diagram of first-stage planetary gear

總體來(lái)說(shuō)，此次輕量化設(shè)計(jì)較為安全可靠，可滿足要求。不過(guò)從圖中可以看出，行星機(jī)構(gòu)中太陽(yáng)輪和行星輪所承受的應(yīng)力相對(duì)較大，并且主要受力點(diǎn)位于齒輪嚙合區(qū)域，易產(chǎn)生塑性變形，所以輕量化設(shè)計(jì)后應(yīng)對(duì)行星齒輪表面進(jìn)行滲碳淬火等熱處理工藝，增加齒輪表面硬度。

4.2 行星架

通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)截割減速器行星架有限元仿真分析。圖5～圖7為一級(jí)行星架仿真模擬結(jié)果，二級(jí)行星架仿真分析過(guò)程與一級(jí)行星架基本一致。

圖5 一級(jí)行星架等效應(yīng)力云圖Fig.5 Equivalent stress cloud diagram of first-stage planet carrier

圖6 一級(jí)行星架等效應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Equivalent strain cloud diagram of first-stage planet carrier

圖7 一級(jí)行星架安全系數(shù)云圖Fig.7 Safety factor cloud diagram of first-stage planet carrier

通過(guò)仿真分析可知，EBZ200掘進(jìn)機(jī)行星減速器輕量化設(shè)計(jì)中一級(jí)行星架有限元仿真分析中所承受的最大應(yīng)力為45.491 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.000 24 mm，最大變形為0.011 40 mm，安全系數(shù)為5.495 6。二級(jí)行星架有限元仿真分析中所承受的最大應(yīng)力為101.79 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.000 51 mm，最大變形為0.034 386 mm，安全系數(shù)為2.455 9。

從圖中可以看出，行星架最大受力區(qū)域集中在行星架與行星輪軸聯(lián)接區(qū)域，最大變形區(qū)域?yàn)樾行禽嗇S區(qū)域。相較于一級(jí)行星架，二級(jí)行星架所承受的應(yīng)力和應(yīng)變更大，但總體來(lái)說(shuō)行星架性能符合要求。

5 工程應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證掘進(jìn)機(jī)截割減速器輕量化設(shè)計(jì)可行性和應(yīng)用價(jià)值，將輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)用于望云煤礦中，改進(jìn)前后的截割減速器質(zhì)量見(jiàn)表2。

如表2所示，改進(jìn)前后掘進(jìn)機(jī)截割減速器的總質(zhì)量分別為406.5 kg和359.5 kg，相較于改進(jìn)前，改進(jìn)后的輕量化設(shè)計(jì)中掘進(jìn)機(jī)截割減速器的質(zhì)量減輕11%，并且在為期6個(gè)月的工程應(yīng)用中未出現(xiàn)任何異常，說(shuō)明此次掘進(jìn)機(jī)截割減速器輕量化設(shè)計(jì)的可行性。

表2 掘進(jìn)機(jī)截割減速器改進(jìn)前后質(zhì)量對(duì)比Table 2 Quality comparison of roadheader cutting reducer before and after improvement

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，以望云煤礦EBZ200型掘進(jìn)機(jī)截割減速器為研究對(duì)象，進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)截割減速器輕量化設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)有限元仿真分析和實(shí)際工程應(yīng)用分析，可以滿足望云煤礦EBZ200掘進(jìn)機(jī)安全生產(chǎn)要求，輕量化改進(jìn)后的掘進(jìn)機(jī)截割減速器的質(zhì)量減輕11%，達(dá)到了減少體積質(zhì)量，節(jié)約減速器制造材料，降低制造成本的目的。