采煤機搖臂傳動系統關鍵部位有限元分析

陳文偉

(山西大同大學，山西 大同 037003)

0 引言

采煤機為綜采工作面的關鍵設備，對于煤層結構復雜的工作面而言，對采煤機各個分系統的性能和可靠性提出了更高的要求。搖臂作為控制采煤機滾筒截割高度的部件，其傳動系統內部齒輪的故障數占采煤機總故障數的60%左右[1]。因此，需從理論和實踐中掌握采煤機搖臂傳動系統的適應性和可靠性，研究齒輪傳動系統的振動規律。為此本文以MG900/2400采煤機為例，對采煤機搖臂傳動系統的關鍵部位進行有限元分析。

1 MG900/2400采煤機搖臂傳動系統

MG900/2400雙滾筒采煤機主要包括電機、搖臂、截割部、行走部以及輔助裝置等。其中搖臂是采煤機的關鍵部件，主要完成工作面落煤、裝煤和輸煤的任務。搖臂系統的性能在一定程度上決定采煤機的截割效率，并且是降低采煤機能耗的關鍵部件[2]。基于搖臂傳動系統實現采煤機滾筒根據工作面煤層變化情況對截割高度和截割深度的實時控制，可在保證采煤機截割率的同時提升采煤機的自適應截割特性。搖臂傳動系統將電機的動力通過多組軸組件傳遞至行星機構，滿足采煤機的調高要求以適應工作面煤層，因此，要求搖臂傳動系統具有良好的潤滑、散熱性能以及高的傳動效率。

2 搖臂傳動系統模型的建立

2.1 零部件模型的建立

搭建搖臂傳動系統的模型，首先需根據采煤機實際參數完成各級齒輪、搖臂殼體、行星架以及軸系等部件模型的搭建，并根據各部件的相互關系完成裝配，最終完成搖臂傳動系統模型的搭建。本文著重對搖臂傳動系統中的各級齒輪及搖臂殼體進行有限元分析[3]，因此，齒輪模型的正確性尤為重要。搖臂傳動系統包括定軸齒輪、一級齒輪和二級齒輪，建立齒輪模型所需的參數如表1所示。

表1 搖臂傳動系統齒輪參數

2.2 搖臂傳動系統模型的裝配

搖臂傳動系統模型整體裝配前還需完成復合行星齒輪以及軸系部件的裝配。其中，復合行星齒輪包括太陽輪、內齒圈以及行星輪[4]。軸系部件裝配過程中尤其需注意齒輪內孔與軸心線是否對齊、齒輪端面與軸肩是否對齊以及齒輪內孔鍵槽與軸上的鍵槽是否對齊，并且完成裝配后還需基于Pro/E的功能對模型進行干涉檢查。

基于Pro/E所搭建的搖臂傳動系統三維模型如圖1所示。

圖1 搖臂傳動系統三維模型

3 搖臂傳動系統關鍵部件有限元分析

將Pro/E所搭建的三維模型導入ANSYS軟件中，根據搖臂傳動系統中各零部件及分系統之間的關系為搖臂傳動系統三維模型添加相關約束(旋轉副和固定副)。MG900/2400采煤機截割系統電機的額定功率為900 kW，額定轉速為1 487 r/min，在實際截割過程中，搖臂滾筒所承受的平均負載扭矩為267 240 000 N·mm。采煤機搖臂系統有限元仿真分析時設定的驅動和負載曲線如圖2所示。

圖2 搖臂傳動系統模型驅動及負載曲線

3.1 齒輪的有限元分析

MG900/2400采煤機搖臂傳動系統齒輪材料為18Cr2Ni4WA，屬于滲碳鋼，其密度為7 800 kg/m3，彈性模量為202 GPa，泊松比為0.3。將上述參數在有限元模型中完成設置，并對復合行星齒輪進行網格劃分后，開始搖臂傳動系統齒輪的有限元分析，分別對一級行星齒輪和二級行星齒輪中各個齒輪的應力值進行仿真分析。得到的仿真結果如下：

(1)在兩個復合行星傳動系統中，太陽輪所承受的應力值大于行星輪所承受的應力值，從而導致在實際應用中太陽輪的故障率高于行星輪。

(2)在齒輪相互嚙合的區域，最大應力值位于齒輪的節圓處和齒根圓處。

(3)一級復合行星齒輪中的最大應力值為330 MPa，位于太陽輪的節圓處；二級復合行星齒輪中的最大應力值為275 MPa，同樣位于太陽輪的節圓處。兩級行星齒輪的最大應力值均遠小于材料的屈服極限835 MPa，兩級行星齒輪的可靠性和安全系數極高。

3.2 搖臂殼體的有限元分析

采煤機在實際截割時，由于工作面煤層負載的變化使得滾筒所承受的載荷不斷變化，與滾筒對應搖臂所承受的載荷也屬于交變狀態，從而影響搖臂的振動，最終搖臂將殼體上的振動傳遞至截割電機[5]。為驗證搖臂傳動系統的可靠性，利用ANSYS對搖臂殼體進行模態分析。

搖臂殼體的材料為30CrNiMo，根據材料屬性完成模型中的參數設置，并完成對搖臂殼體的網格劃分。針對采煤機搖臂殼體的模態分析，所模擬的工況為：保證滾筒截割高度不變，調節液壓油缸，實現對同一高度煤層的開采。根據上述工況，完成搖臂殼體的約束設置，并對51 Hz、67 Hz、132 Hz、172 Hz、192 Hz、235 Hz六種頻率下的模態進行分析，得到的仿真結果如下：1階、2階、3階、4階以及5階模態的最大振幅位于搖臂殼體的行星頭部，6階模態的最大振幅位于行星頭部和搖臂的電機位置；不同模態振型搖臂殼體頭部所擺動的區域不同，所圍繞的軸也不同，振型擺動情況如表2所示。

表2 各階模態振型擺動情況

綜上所述，采煤機搖臂殼體的最大變形位置在行星頭、截割電機以及搖臂的中間位置。

4 結語

采煤機為綜采工作面的關鍵設備，其搖臂傳動系統能夠根據工作面煤層的變化情況對滾筒截割高度和截割深度進行實時調整。為保證搖臂傳動系統運行的可靠性和穩定性，本文對搖臂傳動系統的齒輪和搖臂殼體進行了有限元分析，得到如下結論：

(1)搖臂傳動系統中承受最大應力的齒輪為兩級行星齒輪輪系中的太陽輪，且一級行星齒輪中太陽輪的應力值大于二級行星齒輪中太陽輪的應力值。

(2)在實際截割過程中，最大變形位置在行星頭、截割電機以及搖臂的中間位置。