采煤機截割部行星架受力及結構分析

李小東

(西山煤電集團 屯蘭礦,山西 太原 030052)

0 引言

我國煤炭資源儲量豐富，現代化滾筒采煤機大量應用于各大礦井工作面的綜采生產。滾筒采煤機可適應的采高范圍大、工作效率高，但由于井下環境濕度大、粉塵大、多腐蝕性介質，因此采煤機各部零件在長期高負荷工作狀態下容易出現機械故障，嚴重影響生產穩定性和安全性。

截割部是滾筒采煤機的重要工作單元，主要由搖臂、截割電機、多級減速、螺旋滾筒等機構組成，其端部滾筒上螺旋分布的截齒可對煤巖進行連續截割，并將落煤推入刮板輸送機，因此截割部的能量消耗可占整機的80%左右。實際工況下，截齒可能接觸矸石、巖石頂板或其他金屬物，造成截割阻力瞬間增大，容易引起傳動零部件的損壞，尤其是位于截割扭矩輸出末端的截割部行星架，其結構復雜，在交變應力和沖擊工況作用下，更易發生斷裂或共振等故障[1-3]。因此本文將對其受力及結構進行分析，為行星架的設計和優化提供依據。

1 行星減速機構的特點與功能

截割部行星減速機構主要由行星架、太陽輪、行星輪、內齒圈、滾動軸承等組成，如圖1所示。其中，行星架的外花鍵端與滾筒連接，用于輸出截割扭矩；太陽輪則負責輸入來自電機的驅動力矩，太陽輪周邊與之嚙合的4個行星輪固定在行星架的兩腹板之間，行星輪周邊有一整圈固定于搖臂殼體內部的內齒圈。當太陽輪自轉時，由于內齒圈固定，因此可驅動與上述兩者相互嚙合的行星輪繞太陽輪發生公轉，同時，行星架跟隨行星輪產生相同轉速的低速旋轉，并由花鍵端輸出扭矩。行星架兩端分別有滾動軸承作為支撐，軸承外圈安裝在搖臂殼體內[4-5]。

行星減速機構各組成零件的裝配關系緊湊，體積小，便于安裝；同時該裝置傳動比大，承載能力強，工作穩定，因此適合作為滾筒采煤機截割部的末級減速裝置。

1-太陽輪；2-行星輪；3-內齒圈；4-行星架；5-滾動軸承

2 行星架受力分析

采煤機工作過程中，螺旋滾筒所受合力經簡化可分為垂直于滾筒端面的側向力FX、平行于采煤機行走方向的牽引阻力FY和平行于工作截齒線速度方向的截割阻力FZ三部分。其中，FX與采煤機滑靴支撐力相平衡，FY與底部行走輪驅動力相平衡，而FZ可最終分解為與滾筒中心線垂直的力FZ′及繞中心線的阻力矩T阻，其中T阻經滾筒傳遞至行星架的花鍵軸上。

該行星機構共有4個行星輪，均布在行星架兩腹板之間，假設行星輪不動，則阻力矩T阻經由行星架最終傳遞至各行星輪，且在行星輪安裝軸孔半圓面上產生反作用力F，4處的F大小相等，作用方向兩兩相反，因此阻力矩T阻可表示為：

T阻=4×F·r.

(1)

其中：r為行星輪安裝孔中心到行星架中心的距離，r=0.25 m。

另外，截割電機通過傳動結構向行星架輸出的驅動力矩T驅為：

(2)

其中：P為截割電機額定功率，P=150 kW；η為行星機構與電機之間傳動機構的總傳動效率，取η=90%；n為行星架的輸出轉速，低速工況時n=18 r/min。

顯然，行星架的輸入和輸出扭矩應相等，即：

T驅=T阻.

(3)

因此，由式(1)～式(3)可得作用力F的計算公式：

(4)

3 行星架有限元模型

3.1 三維模型

行星架腹板部分結構較為復雜，不適合在有限元分析軟件ABAQUS中直接建模，因此選擇建模能力較強的UG進行前期三維建模，然后保存為*.igs中間格式后導入ABAQUS中。建模過程中，考慮本次研究主要針對行星架的整體結構，因此可將花鍵端簡化處理為圓柱體，然后在分析過程中對圓柱表面施加扭矩。行星架材質可選用ZG310-570，導入有限元軟件后，設置材料屬性：泊松比為0.3，彈性模量為210 000 MPa。

3.2 網格劃分

一般情況下，在進行最終分析前，通過均勻網格劃分先進行模型受力的粗略分析，然后對受力較大的位置再進行網格精細劃分。通過前期分析，行星架腹板的根部等位置應力較大，因此在此處進行網格種子加密。另外，通過對模型各部分進行切分，可在ABAQUS中得到結構化網格、掃掠網格和自由網格或其混合體，以提高計算速度和精度。

3.3 載荷及邊界條件

綜合以上分析可知，為實現對行星架的受力模擬，可在原花鍵位置的圓柱體上施加限制位移和轉動約束，然后在4個行星輪軸孔的相應半圓面上按順時針方向施加作用力F，4處作用力合成驅動力矩。

4 行星架受力有限元模擬

行星架受力較大，但為方便加工、節約制造成本，其毛坯選用鑄造結構，腹板之間的非加工面可直接鑄造成型，材質選用綜合力學性能較好的ZG310-570，熱處理后的屈服強度達310 MPa，具有良好的抗沖擊性和強度。

圖2為行星架的總應變云圖，可見在驅動力矩作用下，行星架沿受力方向發生扭轉變形，尤其是腹板之間的行星輪安裝窗口，兩對角方向出現較大拉伸應變；另外，在腹板與花鍵端輸出軸連接根部也出現較大剪切應變。圖3為行星架的Mises等效應力云圖，可見在兩腹板之間筋板、窗口四角及花鍵輸出軸根部均存在較大應力，最大應力為119 MPa，遠低于材料屈服強度，處于安全狀態。但在煤巖截割過程中，以上應力隨著滾筒旋轉而呈現周期性變化，且當截齒頭碰到矸石或其他金屬物時，截割阻力瞬間增大，因此在此交變和沖擊載荷作用下，應力和應變較大的位置容易從鑄件內部萌生裂紋，甚至擴展斷裂。

由此可知，雖然行星架滿足強度校核理論計算要求，但為提高其實際工作的可靠性，還應注意提高過渡位置的圓角半徑，避免出現應力集中。另外，在制造過程中，通過增加對危險位置的探傷操作，可有效降低初始裂紋缺陷對行星架使用壽命的影響。

5 采煤機搖臂模態分析

通過以上靜力學分析可知，當前行星架的強度滿足使用要求，但對于滾筒采煤機，其內部電機、外部滾筒等都有其固定頻率，且搖臂所受的截割阻力也隨滾筒旋轉而產生周期變化，若行星架的固有頻率與以上振動頻率接近，則可能導致行星架在搖臂內產生共振，同時對行星架的裂紋等缺陷控制產生不利影響，因此應對行星架的固有頻率范圍加以分析。

圖2 行星架總應變云圖

圖3 行星架Mises等效應力云圖

圖4為該行星架的前6階振動模態和相應振動頻率，可見前3階振動形式較為簡單，主要振動位置為行星架兩端，且振動頻率較低，范圍是3.27×10-4Hz～1.37×10-3Hz；而后3階振動模態較為復雜，主要是兩腹板位置的振動，由于該位置將安裝行星輪等裝置，因此應避免該位置振動對各齒輪嚙合的影響，其振動頻率均較高，范圍是1 995.2 Hz～2 410.6 Hz。另外，搖臂前端滾筒轉動頻率為0.5 Hz左右，截割電機振動頻率為25 Hz，因此行星架不會在以上運動部件作用下產生共振，其結構穩定性較好。

圖4 行星架的前6階振動模態及頻率

6 結語

行星架是采煤機截割部的關鍵受力零件，在交變載荷作用下易發生振動甚至斷裂。針對這一問題，本文首先分析了截割部行星減速機構的特點和功能，然后對行星架的受力狀況進行了分析，在此基礎上，利用ABAQUS有限元軟件分析了行星架在給定工況下的總應變和Mises應力分布情況，指出在花鍵軸與腹板連接根部等位置可能發生應力集中，應從設計、加工等角度加以控制。本文同時對行星架的振動模態進行了分析，結果表明其與其他運動部件不會產生共振。本文研究內容對采煤機截割部行星架的設計和維護具有積極參考價值。