采煤機行星機構研究及展望

靳予記 劉若蘭

摘要： 本文綜述了國內外采煤機行星機構的研究現狀，對影響行星機構的可靠性的主要因素進行了介紹，分析了影響因素與行星機構壽命之間的關系，簡述了采煤機行星機構可靠性及優化方法，同時對采煤機行星機構的發展趨勢及其進一步研究的幾個方面進行了展望。

Abstract： This paper summarizes the research status of shearer planetary mechanism at home and abroad. The main factors affecting the reliability of planetary institutions are introduced.The relationship between the influencing factors and the life of planetary mechanism is analyzed， The reliability and optimization method of shearer planetary mechanism are described. At the same time， the development trend of shearer planetary mechanism and several aspects of further research are prospected.

關鍵詞： 行星機構;可靠性;優化方法

Key words： planetary mechanism;reliability;optimization method

中圖分類號：TD421.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?   ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0159-03

0? 引言

如何提高采掘機械的工作效率及其可靠性大小，隨著科學技術水平的發展變得更加迫切、重要。行星減速傳動系統作為工業生產中重要且不可缺少關鍵部位，具有結構尺寸小，輸出扭矩大，速比大、效率高、性能安全可靠等特點[1-2]，對提高采掘機械的工作效率占據著不可替代地位。因此，提高行星傳動系統的可靠性對機械設備的生產、效率的提高都具有重大意義。可靠性作為一個抽象研究課題，它的研究理論、方法是十分復雜多樣的，狹義上講可靠性是產品在工作的過程中無故障發生的性質，廣義上是客戶對產品的滿意程度。

1? 關于行星減速傳動系統可靠性研究

1.1 可靠性研究及發展? 目前人類對于可靠性規律及其可靠性優化問題的研究開拓出新的領域，在20世紀初期，數理統計學在可靠性領域得到快速發展，其間工程實踐中應用了極限理論、事件疲勞、維修概率等相關知識[3]。對可靠性基礎理論開始進行探究的標志是20世紀初的學者將概率論與數理統計運用到了機構的安全性分析上;在接下來的一段時間內，各個國家專家、學者使用隨機變量的均值和方差、統計數學等數學理論對機構可靠性進行研究;Shewhart第一次將可靠性技術與質量檢測技術相結合，使檢測效率得到較大提高;在20世紀中期，可靠性已經成為了一項獨立學科并得到了快速的發展，其應用與多個學科有著緊密的聯系，同時可靠性研究領域已經從高精尖行業（航空、電子等）開始往機械、電器、建筑等相關行業進行發展。C.A.Cornell建立模型計算可靠度使用一次二階方法求解結構的方法，在傳統的計算方法做出了突破。

20世紀末期，可靠性的發展已經趨向現代化，也使可靠性的研究從單一學科進入了多個學科交叉研究，其標志為CAD、人工智能等與可靠性分析的相結合;《可靠性與維修性》中結合了可靠性與其他相關技術;也出現不少學者認為可靠度是一個區間而不是一個具體數值，提出了可靠性區間變量的概念;Ben-Haim發表了穩健性理論。

21 世紀，可靠性得到了全面的進步，不間斷地完備與發展可靠性的基礎理論知識和相關的標準體系，使可靠性與相關體系研究在各個領域研究中取得了快速發展。Ghodrati B， Kumar U、Khodayar M E、Barati M、Shahidehpour M運用可靠性分配系統對微型電網進行了研究。隨著可靠性理論的不斷進步，可靠性理論分出了三大關鍵分支，各個分支的主要研究方法和作用如表1。

1.2 行星傳動系統可靠性數學模型方法研究? 近年，數學統計學迅速發展發展為可靠性問題研究開展新的領域。開展對行星減速機構可靠性研究對提供工業機械生產效率，提高其在工作過程中的使用壽命具有重要意義。可靠性研究主要的數學統計學理論有：模糊可靠性理論、蒙特卡洛、正態分布、維修概率等。針對數學領域對可靠性研究國內外學者對此做了大量的研究和探索。2005年，遼寧工程技術大學劉暢以采煤機MG575-W為研究對象，運用故障樹之間的邏輯關系研究牽引部的液壓傳動系統，采用Monter-Carlo理論關系對其進行計算機的仿真，獲得其系統的可靠性的薄弱環節是主油泵，對主油泵建立故障樹，進行模糊分析，獲得油液污染是主油泵發生故障的主要原因，由此可以提出其可靠性的改良方案，最后提出模糊故障樹是可以看出故障原因、征兆、診斷矩陣等一系列用來研究系統可靠性一種可行性及創新的辦法;2010年，東北大學金雅娟等為了研究陶瓷刀具壽命進行可靠性分析，通過應力-強度干涉理論建立氧化鋁陶瓷刀具磨損來研究壽命的極限狀態方程，其次把鞍點逼近法運用到其壽命可靠性分析之中，獲得其極限方程狀態下累計分布函數圖像和概率密度函數圖像，最后將鞍點逼近法得到的分析結構和Monter-Carlo方法來研究可靠性的方法進行對比，得到鞍點逼近得到的結果具有精度高、計算簡單、收斂速度快等優點;2015年，東北大學的周笛等對采煤機牽引部傳動系統進行了動態模型的可靠性分析，以鞍點逼近法為依托建立動力學整體結構模型，在各種不同工況下對牽引部傳動系統進行了振動響應分析，獲得在牽引部的不同位置動態接觸應力曲線并對其可靠性進行分析，得到牽引部首次運轉情況下是安全的，運轉前期可靠性降低的速度相對較快，在工作的后期可靠性降低的速度比較慢。

1.3 行星傳動系統可靠性數值仿真研究? 由于數值仿真技術的迅速發展，已經滲透于航天、機械、工業等各個領域，其給可靠性研究提供新的可能。可靠性的三個要素是：耐久性、可維修性、設計可靠性。耐久性即是產品的使用壽命;可維修性即是在工作的過程中出現故障可以很容易的維修和檢查;設計可靠性即在生產過程中充分考慮產品的易使用性和易操作性。2011年，遼寧工程技術大學的趙麗娟等以采煤機截割部傳動系統中二級傳動零件行星架為研究對象，首先對采煤機截割部建立剛柔耦合模型基于ANSYS、ADAMS、Nfot進行協同仿真，獲得行星架的疲勞損傷點即行星架花鍵處是強度薄弱點，并通過改變其漸開線出花鍵的尺寸大小應用APDL語言和ANSYS命令流進行優化解決了強度不足的問題;2016年，遼寧工程技術大學趙麗娟、李明昊等以搖臂系統的齒輪為研究對象，建立采煤機搖臂剛柔耦合虛擬樣機VP模型計算其溫度載荷，并運用ANSYS軟件對多場耦合下的齒輪副分析，由裂紋后的齒輪模型，運用FRANC3D對裂紋進行數值模擬得到疲勞壽命，獲得齒輪可靠度退化量和裂紋退化量成正比，并提出將斷裂力學、虛擬樣機多場耦合技術相結合是機械零件可靠度退化研究新方法。

2? 行星傳動系統可靠性問題及優化

行星傳動系統的主要組成：行星架、齒輪、內齒圈。作為機械設備中重要的傳動部件，一旦在工作過程中出現將給工業生產帶來巨大的危害。因此，分析其故障原因、優化方法以提高行星傳動系統的可靠性以及延長其工作過程中使用壽命具有至關重要意義。

2.1 行星傳動系統可靠性分析方法? 可靠性預測方法主要有：應力分析預計法、元器件計數法、上下限法、蒙特卡洛法。在此研究行星傳動系統中主要采用的是應力分析預計法、蒙特卡洛法。應力分析預計法：通過對機械零件或構件通過仿真軟件進行分析求解應力和應力分布的方法，由此得到應力集中位置、峰值及其應變獲得疲勞損傷點即可靠性薄弱位置。對此常采用解析法、數值法、實驗法判定應力大小及其分布受到載荷、溫度、零件材料性質、尺寸、形狀的影響狀況。解析法：在考慮力平衡、變形連續的問題上建立力、變形、溫度等物理關系及變量間關系方程。由能量關系及所研究問題實質建立混合泛函，嚴格運用數學運算，簡單則得到精確解，倘若復雜則由尺寸、載荷對結構進行簡化求其近似解。數值法是問題離散點函數值數值解，有限差分法、有限元法是其研究的主要手段。有限差分方程是由基本方程、邊界條件轉化而來，考慮力學問題獲得方程組，最后利用電子計算機調節步長獲得精確解。連續體離散成有限單元是有限元法的主要手段，具有靈活性、通用性，對復雜形狀、邊界條件、材料、載荷加以考慮，運用計算機急性計算。蒙特卡洛法是以隨機變量為理論的統計模擬法，利用隨機數來解決計算問題。此法主要包括三個步驟：構造概率過程即隨機問題或轉化成的隨機問題描述出來，某些參量即是所求問題;概率分布是由概率模型構成，概率分布的隨機變量就是蒙特卡洛研究的基本手段，稱為隨機抽樣。得到具有矩形分布的相對獨立的隨機變數序列，是蒙特卡洛模擬的基本工具;構造概率模型并抽樣后，迭代計算之后確定一個隨機變量解決所需問題稱為無偏估計，建立估計量解決可靠性問題。

2.2 行星傳動系統失效形式? 行星架作為行星減速機構中承受扭矩的重要部件，影響著齒輪傳動中載荷大小的分配，根據其所承受應力及位移大小，判定其可靠性對行星機構的正常持久工作十分必要。行星架受會發生較大變形，花鍵軸與腹板相交處產生應力集中，花鍵退刀槽受力超出許用應力等現象，因此在工作的過程中容易出現裂紋、變形、疲勞破壞等一系列結構問題。內齒圈在行星傳動系統中，與行星架同一軸線的內齒輪。內齒圈、太陽輪、行星輪共同組成齒輪傳遞機構。太陽輪所受的嚙合力最大發生在齒根處，齒輪傳動的故障形式：齒面點蝕、齒面膠合、齒面塑形變形、彎曲疲勞與斷齒、齒面磨損。

2.3 行星傳動系統的優化方法? 針對行星傳動系統可靠性問題，常采用一種是行星架進行增大過渡圓角、加厚側板等;對齒輪進行齒頂修緣、齒廓修形和齒根修形進行結構改進。另外一種是對行星傳動系統各個零部件的運動參數、結構參數進行優化，進而得到優化后可靠度高的行星傳動系統。結構優化包括尺寸優化、形狀優化、拓撲優化對行星架進行修正，其中拓撲優化占據著重要地位。拓撲優化是指一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法。主要包括兩個領域，其中連續拓撲優化包括：均勻化、變密度、漸進結構優化、水平集;另外一個是離散結構拓撲優化即在結構的基礎上采用不同的優化算法進行求解，最常用的是基于遺傳算法的拓撲優化。拓撲優化離不開有限元的參與，即以材料為研究對象，把其離散成各個單元，依據數學領域中算法把握每個單元，直到找到最佳方案。因此，行星減速傳動系統運用有限元進行拓撲優化以提高其可靠性是主要方法。協同仿真通過改變行星傳動系統的運動參數實現優化。協同仿真是利用商用仿真軟件獲得所需仿真結果，比較模型進行驗證分析，適用于比較復雜的動態系統中，即適用于行星減速傳動系統。主要方法有兩種：接口的協同仿真和HLA的協同仿真。動態可靠性分析將是行星傳動系統的發展趨勢，離不開動力學理論、齒輪嚙合、軟件耦合，協同仿真的參與，將各個理論和動力學軟件相結合將使行星系統可靠性研究更加準確化、精確化。

3? 結論

行星傳動系統廣泛應用于機械、航空、醫療器械等領域，對工業生產的效率和經濟性起著至關重要的作用。具有承載能力強、體積小等優點，但是其可靠性是最難把握和研究的，目前專家學者對其的研究已經相對成熟，本文綜述了行星傳動系統可靠性研究現狀、可靠性研究預測方法、行星傳動系統可靠性薄弱位置以及可靠性優化方法。但是行星傳動系統仍然是研究的重點、難點，可靠性研究更是復雜、需要加強其研究力度，還該對以下方面進行研究、改進：

①行星傳動系統工作的過程中會受到振動、噪聲、溫度、光學的影響，進而影響其可靠性及其壽命大小，對照其影響因素設計出傳感器、專家檢測盒對其進行控制和測試其工作過程中的綜合性能及各個零部件的應力大小進而預測其可靠性。

②行星傳動系統中各個零部件所需新材料的開發，齒輪磨損問題、故障診斷技術、應力測試技術等研究也應該作為可靠性研究的重要方向。

③學者們對一級、二級行星傳動系統已經做了充足的研究，并提供大量參考依據行星系統多級、復合傳動動態可靠性分析將是研究的可能方向。

參考文獻：

[1]張欣，張樞.薄煤層采煤機的發展狀況及趨勢[J].煤礦機械，2002（6）：7-8.

[2]馬聯偉.薄煤層采煤機可靠性與疲勞壽命研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2011.

[3]王志剛，戴柏林.可靠性技術的發展與應用[M].北京：機械工業出版社，2010.