關于刮板輸送機中313型行星架的結構強度分析

梁軍軍

(霍州煤電集團 辛置煤礦，山西 霍州 031412)

刮板輸送機作為煤礦開采中的重要設備，憑借其工作效率高、性能穩(wěn)定可靠等特點，被廣泛應用。刮板輸送機的運行性能，直接影響著煤礦的開采量和企業(yè)的經(jīng)濟效益[1]。行星架作為刮板輸送機中的重要部件，對其結構強度、剛度及結構特點等方面均具有較高要求，而在其使用過程中，會因自身受力過大、作業(yè)時間過長、井下環(huán)境惡劣等原因出現(xiàn)結構變形、結構裂紋、結構斷裂等故障現(xiàn)象，嚴重影響著刮板輸送機的工作效率和作業(yè)安全[2]。提高行星架的結構強度，是提高刮板輸送機工作效率的重要保障。因此，有必要對行星架的結構強度進行分析研究。

本文選取刮板輸送機中313型行星架為研究對象，以靜力學分析為基礎，采用proe及ANSYS軟件，建立了行星架的仿真模型，開展了行星架應力變化、結構變形的仿真分析，得出了行星架整體結構在長期運行中極易發(fā)生較大的彎曲變形和疲勞失效等故障，并由此提出對行星架結構改進的措施。

1 行星架受力分析

行星架作為刮板輸送機中關鍵部件，其在作業(yè)過程中經(jīng)常會受到靜態(tài)力、動態(tài)力等的交替作用，這是導致行星架發(fā)生結構變形或斷裂的重要因素。因此，在僅考慮靜態(tài)作用力情況下，對行星架運動過程中受力情況進行簡要分析。

根據(jù)經(jīng)典力學可得行星架的靜力學通用平衡方程為[3]：

在行星架實際受力分析時，由于主要受到靜力作用，故在該平衡公式中不考慮與時間相關的矢量。由此，通過對行星架作用過程中的簡化及受力分析，得到了行星架的轉(zhuǎn)矩平衡方程，簡化后公式如下：

Tx=-TA·i=225 kN·m

式中：Tx為行星架的輸出扭矩；i為傳動系統(tǒng)速比，結合實際情況，可取4.5；TA為太陽輪輸入扭矩，結合實際情況，可取50 kN·m。

2 行星架模型建立

2.1 三維模型建立

以313型號行星架為研究對象，根據(jù)其實際結構特點，采用PROE軟件，對行星架進行了三維模型建立[4]。同時，為提高模型后期的仿真精度和分析速度，對行星架上非關鍵的圓弧、圓孔、倒角等特征進行了模型簡化。另外，由于輸出端的花鍵槽對整個仿真影響較小，且會影響模型的仿真精度，在模型建立時，也將該特征直接簡化為圓柱結構。由此，建立了行星架的三維模型，如圖1所示。

2.2 仿真模型建立

將建立的行星架三維模型導入ANSYS軟件中，對其進行仿真模型建立。結合行星架用料情況，將其材料設置為45號鋼[5]，其材料屬性為：密度7 850 kg/m3；泊松比0.3；屈服極限355 MPa；彈性模量2.06 GPa；抗拉強度600 MPa。同時，采用六面體網(wǎng)格類型，對行星架進行了六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設置為10 mm，并對行星架上的通孔、軸端孔等進行了網(wǎng)格加密處理。在行星架邊界條件約束中，將其輸出軸端設置為旋轉(zhuǎn)約束，并施加230 kN·m的輸出扭矩；將其輸入端添加50 kN·m的輸入扭矩，并將輸入端面進行全約束設置，通過施加重力，完成行星架仿真模型的建立，其加載后的仿真模型如圖2所示。

圖1 行星架三維模型

圖2 行星架仿真模型

3 行星架結構特性分析

結合建立的行星架仿真模型，從結構的應力變化、結構位移變化方面，對其開展了結構性能的仿真分析研究。

3.1 應力變化分析

通過仿真分析，得到了行星架的應力變化云圖，如圖3所示。由圖3可知，行星架整體出現(xiàn)應力分布不均勻現(xiàn)象，其中，行星架中部的四根支撐板、輸出軸端腹板部位的應力最大，出現(xiàn)了較明顯的應力集中現(xiàn)象，而行星架上其他部位的應力則相對較小，可忽略不計。分析其原因為：由于輸出軸端腹板部位受到較大的扭矩作用，使其根部出現(xiàn)了應力集中；加上輸入端與輸出端運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生相互擠壓的作用力，導致其中部的四根支撐板成為主要受力部位，出現(xiàn)了較大的應力集中。這些部位的應力集中，使行星架在長期使用過程中，極容易出現(xiàn)結構的疲勞失效現(xiàn)象，影響著刮板輸送機的使用安全。

圖3 行星架應力變化云圖

3.2 結構變形分析

通過仿真分析，得到了行星架的結構變形云圖，如圖4所示。由圖4可知，行星架整體結構出現(xiàn)了較大的扭曲變形現(xiàn)象，其中，輸出軸端腹板處的變形量最大，且出現(xiàn)了嚴重的波紋式折曲變形；同時，結構的變形從腹板向前后兩端呈逐漸減小的變化趨勢，輸入端頂板幾乎不發(fā)生變形，而行星架的四根支撐及輸出軸端中部位置的結構變形量也相對較高，發(fā)生該現(xiàn)象的主要原因為行星架腹板受到較大的旋轉(zhuǎn)扭矩作用，加上行星架自身結構存在一定的設計不合理，導致了整體結構發(fā)生了較大的變形。行星架在長期運轉(zhuǎn)過程中，會首先在腹板部位發(fā)生結構變形故障，最終出現(xiàn)結構斷裂，影響著行星架及刮板輸送機的作業(yè)安全。因此，有必要對行星架進行結構優(yōu)化改進。

圖4 行星架結構變形云圖

4 行星架改進措施

通過分析可知，行星架在運轉(zhuǎn)過程中，會在中部支撐板、輸出軸端腹板等部分發(fā)生應力集中現(xiàn)象，且整體呈現(xiàn)較大的結構變形現(xiàn)象，影響著刮板輸送機的運行安全。為此，對行星架提出如下改進措施[6]。

1) 在一定范圍內(nèi)，增加傳動系統(tǒng)中的傳動比，減小行星架上的輸入端和輸出端作用力；

2) 增加腹板根部的圓弧過渡尺寸，并將四根支撐板進行尺寸加寬、加厚，以此來減小這些部位的應力集中現(xiàn)象；

3) 可在應力集中的周邊位置開設直徑為3 mm的通孔，以使集中的應力傳遞至小孔處；

4) 增加腹板的厚度，并在腹板下端焊接一定數(shù)量的加強筋，選用結構強度更好的材料，在后期表面處理時，對行星架整體結構進行淬火、調(diào)質(zhì)處理，以此來提高行星架的結構強度；

5) 整體結構采用鑄造的加工工藝，可有效避免各部件焊接時的焊接應力對行星架結構強度的影響；

6) 行星架運行過程中，定時檢查輸入軸孔和輸出軸孔處潤滑作用，避免因潤滑不良而導致的結構疲勞失效。

5 結 語

以刮板輸送機中313型行星架為研究對象，通過對其仿真分析，得出行星架中部支撐板、輸出軸端腹板等部分發(fā)生應力集中現(xiàn)象，極易發(fā)生疲勞失效、結構變形或結構斷裂等故障；由此提出了行星架結構改進的措施，對提高行星架的結構強度和刮板輸送機的工作安全性具有重要意義，也可為行星架的實際結構改進提供參考。