采煤機(jī)運(yùn)動參數(shù)對截割部行星減速器疲勞壽命的影響分析

張 軍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)機(jī)電管理分公司， 山西 大同 037003）

引言

采煤機(jī)是煤礦自動化開采過程中的主要設(shè)備，截割部作為采煤機(jī)的截割機(jī)構(gòu)，對煤礦的截割率及生產(chǎn)效率具有重要的影響。截割部行星減速器作為采煤機(jī)截割的主要傳動部件，在采煤機(jī)進(jìn)行煤層截割的過程中，由于煤層開采的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、條件惡劣，容易造成行星減速器的行星架、行星軸等關(guān)鍵零件疲勞失效[1]，降低采煤機(jī)工作的可靠性和穩(wěn)定性。采煤機(jī)在進(jìn)行截割過程中的牽引速度及滾筒轉(zhuǎn)速，不僅與截割率、塊煤率等有關(guān)，對行星減速器的承載及疲勞壽命也有較大的影響。因此，針對截割部行星減速器關(guān)鍵零部件的疲勞壽命進(jìn)行仿真，從而進(jìn)一步確定采煤機(jī)的運(yùn)動參數(shù)與疲勞壽命之間的關(guān)系[2]，便于優(yōu)化采煤機(jī)的作業(yè)參數(shù)，保證行星減速器的可靠性，提高采煤機(jī)的作業(yè)效率，同時保證采煤機(jī)的安全作業(yè)。

1 截割部行星減速器疲勞壽命分析模型的建立

在采煤機(jī)工作過程中，行星減速器作為主要的輸出構(gòu)件，輸出滾筒的轉(zhuǎn)速較低，減速器進(jìn)行變速承載的扭矩作用較大，使得減速器受到的沖擊載荷作用較強(qiáng)，容易發(fā)生疲勞失效，造成采煤機(jī)的損壞。對截割部行星減速器進(jìn)行疲勞壽命分析，首先采用三維建模軟件建立行星減速器的三維模型。行星減速器的關(guān)鍵零件包括傳動齒輪、行星軸及行星架，分別建立各零件的模型，將各零部件進(jìn)行裝配[3]，對裝配模型進(jìn)行干涉檢查，保證模型的正確性，得到行星減速器的三維模型。

采用nSoft 軟件進(jìn)行行星減速器疲勞壽命的分析，疲勞分析軟件常作為有限元分析的后處理進(jìn)行結(jié)構(gòu)的疲勞分析[4]，nSoft 可以直接將有限元計算的結(jié)果導(dǎo)入軟件中，并能直接進(jìn)行模型的材料、分組及應(yīng)力等數(shù)據(jù)的讀取，與有限元軟件具有直接的接口，方便使用。將建好的行星減速器三維模型導(dǎo)入nSoft及有限元分析軟件ADAMS 中[5]，對關(guān)鍵零件進(jìn)行柔性化處理，得到采煤機(jī)截割部的剛?cè)狁詈夏Ｐ停鐖D1 所示。

圖1 截割部剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

2 不同運(yùn)動參數(shù)對截割部行星減速器疲勞壽命的影響分析

在進(jìn)行行星減速器疲勞壽命分析過程中，設(shè)定初始工況為牽引速度2.5m/min、滾筒轉(zhuǎn)速90 r/min、截割深度600 mm。采用ADAMS 的后處理程序得到不同工況下行星減速器的等效應(yīng)力，將載荷文件導(dǎo)入nSoft 中進(jìn)行疲勞壽命的分析。

2.1 牽引速度

牽引速度對采煤機(jī)的承載具有直接的影響，從而影響到行星減速器的疲勞壽命。以減速器的行星架為研究對象，保持開采煤堅固性、滾筒轉(zhuǎn)速及截割深度不變，采用單因素試驗的方式分別改變牽引速度的大小[6]，對不同牽引速度下的行星架疲勞壽命進(jìn)行仿真。將不同牽引速度下的受力參數(shù)以文本的形式導(dǎo)入ADAMS 中進(jìn)行動力學(xué)仿真，將結(jié)果導(dǎo)入nSoft 中進(jìn)行疲勞壽命的分析。當(dāng)牽引速度為2.5m/min時，將nsoft 的疲勞壽命分析結(jié)果利用兩者之間的接口，導(dǎo)入ADAMS 中進(jìn)行后處理分析得到行星架的疲勞壽命云圖，如圖2 所示。

圖2 行星架疲勞壽命變化云圖

從圖2 中可以看出，行星架的疲勞循環(huán)中，較低的疲勞循環(huán)次數(shù)區(qū)域主要集中在行星架的輸出端，以花鍵結(jié)構(gòu)的退刀槽位置處的工況最為惡劣，這一位置受到的作用力較大，循環(huán)次數(shù)較少。在牽引速度為2.5 m/min 時，行星架的疲勞壽命為5.5×106，由此改變牽引速度，對不同牽引速度下的疲勞壽命進(jìn)行分析，并將得到的疲勞壽命進(jìn)行統(tǒng)計，得到如圖3所示的疲勞壽命隨牽引速度的變化曲線。

圖3 疲勞壽命隨牽引速度變化曲線

從圖3 中可以看出，隨著牽引速度的增加，在提高了截割效率的同時，行星架的疲勞壽命隨之不斷減小，這是由于牽引速度的增加，導(dǎo)致行星架受到的載荷不斷增大，隨著載荷的增大[7]，疲勞壽命不斷減小。

2.2 滾筒轉(zhuǎn)速

滾筒轉(zhuǎn)速不同對采煤機(jī)的效率及受力影響不同，同樣對滾筒轉(zhuǎn)速對疲勞壽命的影響進(jìn)行分析。以減速器的行星架為研究對象，保持開采煤堅固性、牽引速度及截割深度不變，分別改變滾筒轉(zhuǎn)速的大小，對不同滾筒轉(zhuǎn)速下的行星架壽命進(jìn)行仿真。分別設(shè)定滾筒轉(zhuǎn)速為80～100 r/min 之間，對不同滾筒轉(zhuǎn)速下的疲勞壽命進(jìn)行分析，將nsoft 的疲勞壽命分析結(jié)果，利用兩者之間的接口，導(dǎo)入ADAMS 中進(jìn)行后處理模塊分析，可對行星架的疲勞壽命進(jìn)行分析，由于花鍵位置的結(jié)構(gòu)造成此處的工況惡劣，壽命循環(huán)次數(shù)較小，將不同滾筒轉(zhuǎn)速下得到的疲勞壽命進(jìn)行統(tǒng)計，得到如圖4 所示的疲勞壽命隨滾筒轉(zhuǎn)速的變化曲線。

圖4 疲勞壽命隨滾筒轉(zhuǎn)速變化曲線

從圖4 中可以看出，隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，行星架的疲勞壽命隨之不斷增加，這是由于滾筒轉(zhuǎn)速的增加，導(dǎo)致行星架受到的載荷減小，隨著載荷的減小，疲勞壽命不斷增加。由此，在采煤機(jī)工作中，在保證截割率的同時，對采煤機(jī)速度的調(diào)整，可以通過同時改變牽引速度及滾筒轉(zhuǎn)速從而控制行星減速器的疲勞壽命，實現(xiàn)采煤機(jī)的協(xié)同調(diào)速，并保證可靠性。

3 結(jié)語

采煤機(jī)是進(jìn)行煤礦開采的主要設(shè)備，截割部減速器作為直接參與截割的關(guān)鍵傳動部件，其疲勞壽命對采煤機(jī)的可靠性具有重要的影響。采用仿真分析的方式，對采煤機(jī)運(yùn)動過程中的牽引速度及滾筒轉(zhuǎn)速對減速器疲勞壽命的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明，牽引速度的增加，會引起行星架疲勞壽命的減小；滾筒轉(zhuǎn)速的增加，會引起行星架疲勞壽命的增加。在采煤機(jī)進(jìn)行截割的過程中，可通過對牽引速度及滾筒轉(zhuǎn)速的協(xié)同調(diào)節(jié)，保證減速器等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，從而提高采煤機(jī)的可靠性，并提高煤礦的生產(chǎn)效率。