基于ANSYS 的煤礦JD-1 絞車二級行星架結構性能研究

王瑞卿

（山西大同永定莊煤業公司， 山西 大同 037024）

引言

礦用絞車作為煤礦開采中的關鍵設備，由于其操作方便、作業效率高，已成為煤礦開采中不可或缺的重要設備[1]。由于井下環境的惡劣性，礦井中經常會有煤石掉落沖擊絞車設備，加上絞車的長負荷和超長時間的提升作業，使得絞車經常出現結構變形、局部開裂、磨損嚴重、控制誤操作等失效現象，其中設備中的二級行星架關鍵部件出現的結構失效問題尤為突出[2]。

據統計，2006 年，湖南湘中煤礦井因絞車閘皮老化和行星架結構變形失效，造成了1 人死亡3 人重傷；2013 年，甘肅長征煤礦由于絞車二級行星架軸套磨損嚴重，導致了1 人卷入絞車而死亡對絞車中二級行星架進行結構性能研究，成為提升絞車作業效率的重要舉措。因此，對絞車中二級行星架進行結構性能研究，成為提升絞車作業效率的重要舉措[3]。以JD-1 絞車中二級行星架為分析對象，開展了基于ANSYS 的二級行星架結構性能研究分析，并提出了行星架的結構優化改進措施。這對提升行星機架的使用壽命，保障設備的高效運行具有重要意義。

1 絞車結構組成分析

礦用絞車是礦井提升系統中的動力裝置，負責給礦井中貨物運輸、人員升降、關鍵設備運輸提供足夠的運輸動力。目前，市場上應用提升絞車、回柱絞車、運輸絞車、調度絞車等較多，其中，又以運輸絞車、調度絞車應用較為廣泛。礦用絞車的結構組成基本相同，主要包括電動機、滾筒、離合閘、制動閘、閘皮、二級行星架、鋼絲繩、變速箱等部件[4]，其結構組成如圖1 所示，而大部分絞車均具有一定的抗爆性。整個絞車的簡單工作原理為：首先通過交流電動機的運轉，將動力通過聯軸器傳遞至圓錐齒輪上；其次齒輪嚙合過程中，可根據現場工況的不同使用需求，通過變速箱進行高速檔和低速擋的轉速調節；最后在圓柱齒輪上進行匯總并通過輸出軸進行動力輸出，經過帶動鋼絲繩作用，實現對貨物或人員的上下升降作用[5]，其作業原理圖如圖2 所示。

2 行星架仿真模型建立

2.1 行星架三維模型建立

由于JD-1 絞車為煤礦開采中常用的調度絞車，為掌握其設備中二級行星架在使用中的結構性能情況，采用了Proe 軟件，對其進行了三維模型建立。在建模中，主要對行星架上的較小圓角、倒角、圓孔等非關鍵特征進行了模型簡化，僅保留了行星架的關鍵特征，最終按照1∶1 的模型比例，完成了二級行星架的三維模型建立，如圖3 所示。

圖1 絞車結構組成圖

圖2 絞車動力傳遞原理圖

圖3 二級行星架三維模型圖

2.2 行星架仿真模型建立

在完成行星架的三維模型建立后，將其ANSYS軟件中，對其進行仿真模型建立。在該軟件中，首先對其進行布爾網格劃分，網格單元采用了solid 實體單元，網格類型為六面體，網格大小設置為12 mm，如圖4 所示。同時，由于行星架在實際使用中采用的是Q235 材料，故在軟件中，將其材料設置為了Q235，屈服強度為235 MPa[6]，材料的主要參數如表1 所示。另外，根據行星架的實際安裝特點，將其左板進行了固定約束，對右板及階梯軸進行了旋轉約束，以使其符合實際工況條件。通過設置防止時間及其他參數，完成了行星架的仿真模型建立。

圖4 二級行星架網格劃分圖

表1 Q235 材料主要參數

3 行星架結構性能分析

3.1 應力變化分析

圖5 為二級行星架的應力變化圖。通過分析可知，行星架整體結構的應力分布相對不均勻，整體出現了不同程度的應力集中現象，最大應力集中出現在行星架左板及延伸止口上，應力值達到了273.27 MPa，超過了其材料的23 MPa 屈服強度，且在左右板之間的支撐筋板也出現了相對較大的應力集中，其值達到了223.5 MPa；而右板及右端階梯軸上的應力值則相對較低。分析其原因為行星架左板由于直接與絞車機架進行連接，故在其作業時受到了來自機架的較大扭轉作用力作用，扭轉載荷率先傳遞至行星架左板上，并逐步通過中間支撐筋板傳遞至右板。導致行星架出現了不同程度的應力集中現象。由此可知，行星架左板及延伸止口成為整個結構中的薄弱部位，在使用中極容易率先出現結構失效現象，需重要進行優化改進。

圖5 二級行星架應力變化圖

3.2 位移變化分析

圖6 為二級行星架的位移變化圖。由圖可知，行星架整體結構的位移出現了分布不均勻現象，其中，行星架上的最大變形位移為0.057 mm，出現在右板的上下兩端，行星架的左板及右端階梯軸上位移變化則相對較小，沿著階梯軸右端，位移變化也呈現逐漸較小的變化趨勢；另外，行星架中間軸孔及四周的結構變形相對較小。分析其原因為：由于行星架左端直接與轎車機架進行固定連接，故其左板的變形值則相對較小，而行星架左端承受的作用力傳遞至右板上后，導致該部位出現了較大的結構變形。由此可知，行星架的右板為整個結構中率先發生結構變形的部位，需重點對其進行結構優化改進設計。

圖6 二級行星架位移變化圖

4 行星架優化改進措施

結合前文分析可知，二級行星架的左板及延伸止口在長時間超負荷作業時極容易率先出現開裂或斷裂的疲勞失效現象，而右板則更容易率先出現結構變形風險。為提高絞車的作業效率，降低其故障發生風險，有必要對其進行結構優化改進設計，具體如下：

1）將二級行星架的材料改為Q345 材料，使得其材料的屈服強度值提升至345 MPa，以保證行星架在使用過程中具有更好的結構性能；

2）增加行星架上左板和右板的厚度2 mm，并將中部的支撐筋板厚度也增加2 mm，以增加行星架的整體承載能力和抗扭矩變形能力；

3）在行星機左板的應力集中附近開設直徑為1 mm 左右的通孔，在保證不影響其結構性能基礎上，使得所產生的集中應力轉移至此圓孔處，緩解行星架上的應力集中現象；

4）由于行星架經常處于受力狀態，故在其加工之后，需對其進行調質、淬火等熱處理，以提升行星架的結構強度和剛度；

5）定期對行星架進行維護保養，發現其結構出現變形嚴重、開裂等故障問題時，需立即停機，對行星架進行維修或部件更換，以保證絞車的安全運行。

5 結論

結合JD-1 絞車二級行星架特點，利用ANSYS軟件，對其進行了結構性能研究，得出行星架的左板及延伸止口為整個結構的薄弱部位，找到其結構的變形規律，提出了行星架優化改進的措施，這對進一步開展二級行星架的使用壽命、保證絞車的作業安全意義重大。