新型薄煤層采煤機行星架的可靠性分析

新型薄煤層采煤機行星架的可靠性分析

孫桂英1，陳根1，步躍躍2

(1.兗礦東華重工有限公司機電裝備制造分公司，山東鄒城273500；2.兗礦東華重工有限公司采掘裝備制造分公司，山東鄒城273500)

摘要：研究通過Pro/E、ANSYS、ADAMS軟件建立新型薄煤層采煤機剛柔耦合虛擬樣機模型，再利用協同仿真技術對關鍵零部件行星架在五種工況下的可靠性進行仿真分析。研究結果表明，行星架結構滿足新型薄煤層采煤機可靠性設計要求。本次研究的分析方法為采煤機及其他零部件可靠性分析提供理論依據。

關鍵詞:采煤機行星架剛柔耦合可靠性仿真分析

中圖分類號：TD421文獻標識碼：A

作者簡介：孫桂英(1975- )，女，山東臨沂人，助理工程師，主要從事煤礦機械設計工作。

收稿日期：2015-03-30

Reliability analysis of planet carrier of a new thin seam shearer

SUN Guiying，CHEN Gen，BU Yueyue

Abstract:In this paper, the Pro/E, ANSYS, ADAMS are used to establish the Rigid-flex coupled virtual prototype of the new Shearer in Thin Coal Seam. The simulation analysis on the reliability of the key components planet carrier under five kinds of working conditions is performed. In this process the collaborative simulation technology is adopted. The research results show that the planet carrier structure satisfies the reliability of the design requirements of new thin coal seam shearer. The analysis method provides theoretical basis for the reliability analysis of the shearer and other components.

Keywords:shearer; planet carrier; rigid-flex coupled; reliability; simulation analysis

0引言

薄煤層采煤機是一個集機、電、液為一體的復雜系統，是實現薄煤層綜采工作面機械化、自動化開采作業的主要設備之一。由于工作環境復雜惡劣，在煤層復雜力的作用下，很容易發生故障，導致整個采煤工作中斷，給生產造成巨大的損失。高產高效綜采技術的迅速發展，迫切要求采煤機具有較高的可靠性。因此，在探究采煤機工作的可靠性時，各薄弱環節的變形不能忽略，應對采煤機關鍵零部件進行可靠性研究。而在物理樣機上進行有關采煤過程的試驗既困難又有很大風險且代價昂貴。

結合兗礦集團機電設備制造廠自行研發設計的新式MG2×70/325型薄煤層采煤機，研究采用系統多領域建模與協同仿真的虛擬樣機技術[1]，以該采煤機關鍵部件行星架為分析對象，模擬采煤機在實際工作中的多種工況進行仿真分析，校核部件強度、剛度可靠性，為采煤機設計的可靠性提供理論依據。

1研究方法

此次研究將采用剛柔耦合多體系統的建模理論和方法，通過三維參數化CAD軟件Pro/E、機械系統運動學和動力學分析軟件ADAMS建立MG2×70/325型薄煤層采煤機整機剛性模型，然后利用有限元分析軟件ANSYS建立行星架結構的柔性模型替換原剛性模型中該結構件，進而建立起剛柔耦合虛擬樣機模型，再根據協同仿真技術，模擬采煤機在實際工作中的工況，對關鍵零部件行星架進行可靠性的仿真分析。

1.1采煤機主要結構組成

設計的MG2×70/325型薄煤層采煤機結構復雜、零部件種類繁多，按照子部件進行劃分，組成采煤機的主要子部件如圖1所示。其中研究對象行星架屬于左右搖臂內的子部件。

圖1　采煤機整機主要子部件

1.2基于Pro/E的采煤機三維實體建模及裝配

在進行剛柔耦合多體系統的建模前，首先要建立采煤機機械系統的零部件三維實體模型，然后進行裝配。在虛擬裝配中有三種方式，即：由底向上的裝配方法，由頂向下的裝配方法，混合裝配方法[2]。結合薄煤層采煤機的實際零部件情況，在整個裝配過程中采用由底向上的裝配設計方案。

采煤機三維模型裝配完成以后，需要對裝配體進行干涉檢查，以確保裝配體的各零部件以及子組件之間的間隙適當，避免各零部件之間產生干涉。利用Pro/E軟件的分析功能，對完成的虛擬裝配體進行全局干涉檢查。只有裝配正確，后續仿真才能可靠。如圖2所示在Pro/E環境中進行的全局干涉檢查操作。通過干涉檢查發現設計中存在問題，對設計進行修改，確定采煤機設計理論上的正確性。

圖2　基于Pro/E環境的全局干涉檢查圖

1.3采煤機剛性多體系統模型的建立

利用Pro/E與ADAMS之間的無縫鏈接接口MECHANISM/Pro將經檢查后無干涉的采煤機實體模型導入ADAMS中。對導入的剛體模型進行材料的定義，完成約束、接觸、驅動的添加，經模型驗證無冗余后，對剛體模型進行仿真分析，驗證其運動關系是否正確。如圖3所示所建立的采煤機剛體多體系統模型。

圖3　ADAMS下采煤機剛體模型圖

1.4采煤機剛柔耦合虛擬樣機模型的建立

在確保剛體模型正確后，利用ANSYS將采煤機行星架離散成細小的網格，并進行模態計算，然后將其保存為模態中性文件(MNF)。以中性文件生成的行星架模型為柔性體，直接讀取到ADAMS中僅替換整機模型中剛性體行星架結構后[3]，形成剛柔耦合的采煤機虛擬樣機，如圖4所示。通過模型校驗，確認無誤后，再進行剛柔耦合的動力學仿真分析。

圖4　ADAMS下采煤機整機剛柔耦合模型

2整機瞬時負載的模擬

由于煤層賦存條件復雜，采煤機在截割煤壁時，會受到多變的瞬時載荷的沖擊，很容易導致搖臂殼體、行星組件、軸承等關鍵零部件的損壞，影響采煤機的正常工作[4]。整機瞬時負載模擬，就是模擬采煤機在工作狀態下負載情況[5]。依據經驗可知，薄煤層采煤機的整機主要負載源來自滾筒。

薄煤層采煤機在正常工作過程中，主要受到來自于煤壁的截割阻力和牽引阻力，布置在滾筒外側的截齒還要受到側向力作用，此外裝煤反力也對滾筒螺旋葉片產生影響；當滾筒的截齒截入煤壁時，滾筒還將受到軸向力的作用。考慮到受力的多重作用，采煤機滾筒瞬時負載計算具有復雜性、非線性、時變性和強耦合性等特點。本次研究根據對煤層賦存條件(兗礦集團楊村煤礦16、17層)以及采煤機工作情況的分析，對工況為截全煤、截割包裹體[6-7]、截割頂、底板，牽引速度v分別取4 m/min、2.5 m/min和0.5 m/min，堅固性系數f分別取1.3、4、9(包裹體)、8.5(頂、底板)，包裹體大小取200×500(單位：mm)等五種工況進行動力學仿真分析，設計仿真工況如表1所示。

表1

仿真工況

根據蘇聯學者提出的破煤理論[8]，結合本產品的邊界參數及計算原則對滾筒瞬時負載進行計算。通過采用Matlab的文件操作函數生成滾筒瞬時負載的文本，導入ADAMS后將文本數據進行定義，實現基于虛擬樣機系統復雜截割負載的施加問題[9]。根據采煤機螺旋滾筒的工況，利用數學模型可推導出不同工況下瞬時負載的文本，進而實現不同工況下對MG2×70/325型薄煤層采煤機的行星架的可靠性分析。

3各工況下行星架可靠性仿真分析

根據行星架的材料42 CrMo得知其屈服強度為998 MPa，取安全系數為1.859，則行星架的許用應力為536.8478 MPa。

3.1工況Ⅰ下搖臂行星架仿真結果分析

該工況下，通過ADAMS的計算行星架的應力最大值為138.05 MPa，未超過許用應力范圍。該工況下行星架是可靠的。

3.2工況Ⅱ下搖臂行星架仿真結果分析

該工況下，通過ADAMS的計算行星架的應力最大值為254.63 MPa，雖未超過許用應力范圍，但應力值較大。圖5所示該工況下行星架的等效應力云圖。從應力云圖可知在截割較硬全煤層時行星架的應力基本集中在行星架與方頭連接的花鍵處。通過改變顯示模態變形的比例系數可對柔性件的變形進行等值的放大，以便于觀察。圖6為在該工況下許用應力放大500倍變形等值圖，由變形圖可知行星架主要發生了彎曲和扭轉的組合變形。

圖5　工況Ⅱ下應力云圖　　　圖6　工況Ⅱ下變形云圖

3.3工況Ⅲ下搖臂行星架仿真結果分析

分析該工況下，通過ADAMS計算行星架的應力最大值為193.9245 MPa，未超過許用應力范圍。

圖7所示最大應力節點的應力與時間曲線圖，可知達到最大應力時刻為0.579 s。從圖7可以看到最大應力出現負載加載開始的1 s內，隨著時間推移，應力曲線一直處于上下波動情況，可知行星架在該工況下震動比較劇烈，但應力值都未超過193.9245 MPa。行星架在工況下基本可靠。

圖7　工況Ⅲ下最大應力節點應力曲線圖

3.4工況Ⅳ搖臂行星架仿真結果分析

該工況下，通過ADAMS的計算，行星架的應力最大值為158.7637 MPa，未超過許用應力范圍。

圖8所示該工況下行星架的等效應力云圖。從應力云圖可知行星架的應力基本集中在花鍵軸肩處。圖9為在該工況下應力放大500倍等值變形圖，變形部位主要集中在對應應力集中位置處。

圖8　工況Ⅳ下應力云圖　　圖9　工況Ⅳ下變形云圖

3.5工況Ⅴ下搖臂行星架仿真結果分析

該工況下，通過ADAMS的計算，行星架的應力最大值為115.9781 MPa，未超過許用應力范圍，強度富裕較大。圖10所示該工況下行星架的等效應力云圖，應力最大位置出現在花鍵軸肩處。圖11為在該工況下應力放大500倍變形等值圖，變形位置主要集中在花鍵過渡位置處，行星齒輪腔室位置也發生變形。

圖10　工況Ⅴ下應力云圖圖11　工況Ⅴ下變形云圖

4結論

由表2中五種工況的仿真結果可見，在各工況下行星架的最大主應力(Von Mises)均未超出其許用應力。

表2

五種工況下行星架的仿真結果

行星架作為采煤機行星傳動的關鍵零件，其關鍵部位由于承受來自滾筒的力和截割力矩而成為應力集中區域。在工況為截全煤、截割頂、底板時，最大應力時刻均為開始工作的瞬時，當截割包裹體時應力值波動幅度較大。從強度及剛度可靠性仿真分析可知，本項目設計的行星架結構滿足使用要求。

相對于物理樣機上進行有關采煤可靠性的過程試驗，采用新型薄煤層采煤機剛柔耦合系統的研究分析方法，具有成本低、風險低、時間短等特點。同時能在研發設計階段完成可靠性分析，縮短產品的設計周期。此外，文章研究內容也為分析MG2×70/325型薄煤層采煤機整機及其他關鍵零部件的可靠性提供參考依據。

參考文獻

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