提升JD-25型礦用絞車一級行星架結構強度的研究

薛敬宇

（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，保證其設備的正常安全運行，降低其設備故障率，成為當前煤礦企業重點考慮的問題[1]。但由于井下環境的特殊性，加上絞車經常會處于超負荷運行狀態，絞車長時間在超過其最大作業值范圍內工作，將會使設備出現不同程度的故障失效，事故一旦發生，將會對設備及人員的作業效率及安全構成嚴重威脅，同時也會使絞車處于停機維修狀態，給企業造成較大的經濟損失。在絞車應用過程中，礦井因絞車故障而出現的事故頻發[2]。分析其原因：絞車中部件發生結構變形或斷裂失效、電氣元器件老化、操作不當等。對絞車中關鍵部件進行分析研究，找到其使用中存在的薄弱部位，顯得十分必要。

1 絞車結構特點分析

礦用絞車作為煤礦開采中的關鍵設備，與礦用提升機進行有效配合，實現井下作業時對人員、貨物、材料、開采設備等的升降運輸作用，是整個提升系統中的動力牽引部分。根據絞車的作業功能不同，可將其分為提升絞車、回柱絞車、運輸絞車、調度絞車等，其中，調度及運輸絞車由于結構緊湊、操作方便、所占空間較小等特點，在煤礦開采中得到了廣泛應用。煤礦中常見的調度絞車型號包括JD-11.4、JD-25、JD-55 等。但絞車的結構組成基本相同，主要由一級行星架、二級行星架、鋼絲繩、聯軸器、滾筒、變速箱、驅動電機等部件組成[3]。目前，各類型絞車的驅動方式主要采用差動方式機械能調速控制，在使用中存在操作不便、穩定性較差、剎車閘磨損嚴重等問題[4]。其中，一級行星架作為絞車中的關鍵部件，也因絞車的特殊作業工況，導致其經常出現結構變形、開裂或斷裂等失效現象，一旦該部件發生失效，將會嚴重影響絞車的作業效率及作業安全，保證絞車中各部件不出現結構失效，找到其結構存在的薄弱部位，定期對其進行維護保養，成為當前提高部件及絞車作業安全的關鍵。

2 一級行星架模型建立

2.1 三維模型建立

為進一步掌握一級行星架在使用過程中的綜合性能，找到其結構存在的薄弱部位，結合JD-25型礦用絞車的結構特點，采用了Solidworks 軟件，按照1：1的比例，對其設備中的一級行星架進行了三維模型建立。在建模過程中，主要行星架上的較小非關鍵特征進行了模型簡化，包括較小螺紋孔、圓角、倒角等特征均用實體進行代替[5]，以提高行星架在后文分析中的精度和運行速度。所建立的行星架三維模型如圖1 所示。

圖1 一級行星架三維圖

2.2 仿真模型建立

結合建立的行星架三維模型，將其導入至ANASYS 軟件中，對其建立了仿真模型。由于行星架在使用中采用的是Q235 材料，故在軟件中將其設置為Q235 材料，屈服強度為235 MPa，材料密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.28，彈性模量為206 GPa，許用強度為180 MPa[6-7]。根據行星架的結構特點，對其進行了網格劃分，網格類型為六面體，實體單元，網格大小設置為10mm，最終行星架的單元數量達到32325個，其網格劃分圖如圖2 所示。由于一級行星架與二級行星架之間進行了固定方式連接，另一端與聯軸器進行花鍵連接，故在一級行星架左板底部進行固定約束，右端與聯軸器連接處進行旋轉約束。由此，完成了一級行星架的仿真模型建立。

圖2 一級行星架網格劃分圖

3 行星架的結構性能分析

3.1 應力變化分析

在完成一級行星架的仿真分析后，得到了其結構的應力變化圖，如圖3 所示。得出行星架的左右板上的應力分布較為均勻，但最大應力出現在右板上，其值為236.23 MPa，超過其材料的屈服強度235 MPa，在右板與中部軸套之間也出現了較大的應力集中現象，其值為214.25 MPa，也相對較高；而行星架的中部支撐筋出現了中間應力較大，兩端應力較小的變化趨勢。分析其原因為，行星架的中間的軸套主要與聯軸器進行連接，在旋轉扭矩作用下，使得右板及軸套根部的應力相對較高。右板及與軸套連接的根部成為整個結構上的薄弱部位，行星架長時間的使用及運行，將極容易率先在此處發生結構變形、開裂等失效現象，需重點進行結構優化改進。

圖3 一級行星架應力變化圖

3.2 位移變化分析

經過行星架的仿真分析后，得到了其結構的位移變化圖，如圖4 所示。由圖可知，行星架整體結構出現了位移變化不均勻現象，最大變化位移發生在行星架的左板上，其值為0.042 6 mm，并沿著右板，位移呈現逐漸減小的變化趨勢，行星架中部支撐、右板及軸套等部位的位移變化相對較小。分析其原因為行星架由于左板在使用中呈固定約束狀態，而右端由于受到較大的旋轉扭矩作用，扭矩力經過傳遞，最終作用在左板上，導致該部位的結構位移相對較高。由此，在使用中，應重點對行星架的左板進行維護保養。

圖4 一級行星架位移變化圖

4 結構改進

結合前文分析，得到了一級行星架的右板及與軸套連接的根部為整個結構的薄弱部位，在使用中，極容易率先出現結構嚴重變形、開裂等疲勞失效現象，對絞車的正常運行構成了嚴重威脅。為此，需對其結構進行優化改進。

1）將一級行星架的材料改為屈服強度更高的45 號鋼材料，使其材料的屈服強度增加至355 MPa，以提高其結構的綜合性能；

2）在行星架右板及軸套根部的最大應力集中區域附近開設Φ2 mm 左右的較小圓孔，形成塑性鉸結構，使得集中的應力能轉移至圓孔處，降低并分散該區域的應力集中現象；

3）增加右板的厚度1～2 mm，并在右板與軸套根部四周均勻焊接6 個較小加強筋板，使得軸套根部在受到較大扭矩作用時具有更高的結構強度；

4）針對在行星架上左右板上的連接螺栓，選用直徑更大的螺栓，使得行星架與對應部件連接時，螺栓能承受更大的扭矩作用力，加強部件之間的連接強度；

5）定期對行星架在使用中的結構變形情況、開裂、斷裂等情況進行觀察、維護，出現故障問題時，應及時對其進行加固或部件更換，以保證整個結構的安全運行。

5 結語

結合一級行星架在使用中的情況，針對其存在的薄弱問題，不斷對其進行結構優化改進設計，成為提升行星架結構性能、保證絞車作業安全的重點工作。當前應用較為成熟、有效的方法則為有限元分析方法。為此，以JD-25型礦用絞車一級行星架為分析對象，對其開展了其結構的應力變化及位移變化研究，得到了行星架的右板及與軸套連接的根部為整個結構的薄弱部位，找到其結構的變化規律，提出了行星架的結構優化改進措施，這對提高一級行星架的使用壽命及礦用絞車的高效運行安全起到了重要保障作用。