掘進(jìn)機(jī)截割減速器振動(dòng)問題分析與改進(jìn)

姚喜林，原云飛

（晉城金焰機(jī)電有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

引言

截割部分作為掘進(jìn)機(jī)直接破煤機(jī)構(gòu)，其工作條件復(fù)雜，出現(xiàn)各類故障的頻次較高，現(xiàn)已引起廣泛關(guān)注。相關(guān)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，截割減速器作為截割部分的核心傳動(dòng)部件，其出現(xiàn)故障的概率最高，尤其是第一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)位置經(jīng)常出現(xiàn)齒輪破壞，嚴(yán)重影響掘進(jìn)機(jī)的工作效率，限制煤炭企業(yè)產(chǎn)量的進(jìn)一步提升[2-4]。截割減速器受力多為動(dòng)載荷，如煤炭撞擊力、電機(jī)驅(qū)動(dòng)力等，均會(huì)引起截割減速器的振動(dòng)，是截割減速器故障率高的主要原因[5-6]。因此以某型號(hào)掘進(jìn)機(jī)截割減速器為研究對(duì)象，分析截割減速器振動(dòng)明顯的原因，提出降低振動(dòng)的具體措施。

1 截割部組成及問題

截割部作為掘進(jìn)機(jī)極其重要的部件，其組成包括截割電機(jī)、聯(lián)軸器、截割減速器、懸臂結(jié)構(gòu)、截割頭等，連接關(guān)系如圖1所示。掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過程中的動(dòng)力來源于截割電機(jī)，由截割電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力經(jīng)聯(lián)軸器和截割減速器傳輸至截割頭位置進(jìn)行采煤。減速器位于截割電機(jī)和截割頭中間，是關(guān)鍵的調(diào)速增扭部件，其工作的穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系著掘進(jìn)機(jī)能否采煤作業(yè)，必須引起高度重視。

圖1 截割部組成示意圖

在截割減速器運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)截割減速器相較于其他結(jié)構(gòu)組件的振動(dòng)問題較為明顯。查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，若截割減速器長時(shí)間處于振動(dòng)環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)極易導(dǎo)致內(nèi)部齒輪折斷，發(fā)生安全事故，同時(shí)，截割減速器出現(xiàn)齒輪斷裂之后，更換極為困難，大多企業(yè)采取直接更換新的減速器進(jìn)行故障處理，給煤炭企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了提高掘進(jìn)機(jī)的工作效率和使用壽命，有必要開展截割減速器振動(dòng)原因分析與改進(jìn)工作。

2 截割減速器振動(dòng)原因分析

截割減速器服役環(huán)境惡劣，受力條件復(fù)雜，運(yùn)行過程中不僅要承受來自截割電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩和截割頭反作用沖擊載荷，還要承受減速器內(nèi)部齒輪嚙合產(chǎn)生的交變載荷，是導(dǎo)致減速器振動(dòng)問題的主要原因。除了上述受力情況多變導(dǎo)致截割減速器振動(dòng)明顯之外，存在以下情況也會(huì)加劇減速器的振動(dòng)：第一是齒輪參數(shù)選擇不合理；第二是齒輪安裝存在安裝誤差，使齒輪磨損劇烈，配合間隙較大時(shí)會(huì)加劇振動(dòng)；第三是齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，動(dòng)特性不佳時(shí)會(huì)加劇減速器的振動(dòng)；第四是減振器件損壞或者選擇不當(dāng)。結(jié)合掘進(jìn)機(jī)截割減速器現(xiàn)場工作情況及振動(dòng)問題，排除齒輪和箱體問題，目前減振器件采用的是振動(dòng)部位表面包覆阻尼層的自由阻尼層結(jié)構(gòu)，其在潮濕腐蝕環(huán)境中工作出現(xiàn)了部分脫落，減振效果變差，有必要進(jìn)行阻尼機(jī)構(gòu)的改進(jìn)。

3 減振方案設(shè)計(jì)

3.1 減振方案

機(jī)械設(shè)備振動(dòng)控制方法眾多，采用粘彈性阻尼材料抑制振動(dòng)仍是高效便捷的手段，筆者在不改變當(dāng)前減速器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，擬采用約束阻尼結(jié)構(gòu)，以便降低振動(dòng)，改善減速器受力情況。截割減速器出現(xiàn)振動(dòng)的部件較多，如行星架、太陽輪、行星輪等，因其內(nèi)部齒輪和行星架的結(jié)構(gòu)不大，不改進(jìn)其傳動(dòng)特征很難實(shí)施振動(dòng)抑制措施。因此從出現(xiàn)極端損壞概率較高的殼體著手，在兩級(jí)齒圈部位施加約束阻尼層減振結(jié)構(gòu)以降低減速器振動(dòng)強(qiáng)度。

3.2 減振效果分析

采用ANSYS仿真計(jì)算軟件進(jìn)行截割減速器約束阻尼層減振效果分析，主要包括三維建模、材料屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分、約束和載荷施加等環(huán)節(jié)。

3.2.1 三維建模

減速器內(nèi)部全為直齒圓柱齒輪，不承受軸向載荷，為了提高有限元仿真分析的效率，選取齒圈軸線方向25 mm長度進(jìn)行齒輪嚙合建模。運(yùn)用Solid-Works完成了有、無阻尼殼體的齒輪嚙合模型的建立，如圖2所示，通過在殼體齒圈位置中部增加厚度4 mm的阻尼減振材料，將內(nèi)齒圈整體從厚度方向分割成兩部分，來模擬約束阻尼結(jié)構(gòu)。

圖2 齒圈三維模型

3.2.2 材料屬性與網(wǎng)格劃分

將有、無阻尼的減速器殼體三維模型倒入ANSYS仿真計(jì)算軟件進(jìn)行材料屬性設(shè)置，其中減速器殼體材料為合金鋼，其材料屬性如下：彈性模量為213 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3；減振橡膠材料屬性如下：密度為1 130 kg/m3，泊松比為0.5，常數(shù)C01為1.47，常數(shù)C10為1.82。完成仿真模型材料屬性設(shè)置之后采用自由劃分網(wǎng)格的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，統(tǒng)計(jì)得出無阻尼模型單元格總數(shù)為16 320，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為92 460；有阻尼模型單元格總數(shù)為15 236，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為89 687。

3.2.3 約束與載荷施加

根據(jù)減速器齒輪運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況，將太陽輪和行星輪軸向及徑向位移設(shè)置為零，外齒圈軸向位移設(shè)置為零，模擬齒輪之間的嚙合和相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。煤炭掘進(jìn)時(shí)，截割電機(jī)的輸出功率為120 kW，轉(zhuǎn)速為1 470 r/min，計(jì)算得出減速器輸入扭矩為780 N·m，將其施加與中間行星輪內(nèi)孔表面。

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 靜力學(xué)分析

啟動(dòng)ANSYS仿真計(jì)算軟件自帶求解器，計(jì)算得出減速器仿真模型的靜態(tài)變形和等效應(yīng)力云圖，如圖3和圖4所示。由圖3可以看出，無阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大變形為7.979e-05 m，出現(xiàn)在殼體外圈位置，有阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大變形為1.437e-07 m，出現(xiàn)在行星輪與齒圈嚙合位置，二者對(duì)比可得，增加阻尼結(jié)構(gòu)能夠降低減速器的最大變形。由圖4可以看出，無阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大應(yīng)力為371.34 MPa，出現(xiàn)在行星輪和太陽輪嚙合位置，有阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大應(yīng)力為10.06 MPa，出現(xiàn)在行星輪和齒圈嚙合位置，二者對(duì)比可得，增加阻尼結(jié)構(gòu)能夠降低減速器的最大應(yīng)力。綜上所述，阻尼材料的增加不會(huì)降低減速器結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，方案可行有效。

圖3 靜態(tài)變形云圖

圖4 靜態(tài)等效應(yīng)力云圖

3.3.2 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

仿真計(jì)算得出減速器仿真模型的瞬態(tài)變形和等效應(yīng)力云圖，如下頁圖5和下頁圖6所示。由圖5可以看出，無阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大變形為0.499 7 m，有阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大變形為0.4777 m，相差不大，均出現(xiàn)在減速器外殼位置。由圖6可以看出，無阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大應(yīng)力為196.37 MPa，有阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)減速器最大應(yīng)力為112.3 MPa，均出現(xiàn)在行星輪和齒圈嚙合位置，對(duì)比可得橡膠阻尼層的增加，降低了減速器等效應(yīng)力。

圖6 瞬態(tài)應(yīng)力云圖

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證截割減速器增加約束阻尼結(jié)構(gòu)之后的振動(dòng)情況，將其應(yīng)用于某型號(hào)掘進(jìn)機(jī)截割減速器中，并跟蹤記錄振動(dòng)情況。應(yīng)用結(jié)果表明，采用橡膠阻尼結(jié)構(gòu)之后減速器工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足工作要求。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，改進(jìn)截割減速器阻尼結(jié)構(gòu)之后，最大振動(dòng)幅值降低了近15%，減振效果顯著。據(jù)相關(guān)專業(yè)人士估計(jì)，振動(dòng)幅值的降低，將會(huì)延長掘進(jìn)機(jī)的使用壽命，降低近15%的維修成本，預(yù)計(jì)為企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近150萬元/a，取得了很好的應(yīng)用效果。