采煤機截割滾筒行星架強度分析與改進

李繼旺

（晉能控股煤業集團馬道頭煤業有限責任公司，山西 大同 037100）

引言

采煤機作為煤炭掘進工作必不可少的裝置，其工作的可靠性直接關系著井下作業人員的安全和企業的經濟效益，采煤機服役環境較為惡劣，其中截割滾筒作為其直接實現煤炭截割的關鍵部件，受力情況極為復雜[1-4]。行星架作為采煤機截割部的組成部分，是截割滾筒實現連續轉動的基礎，也是承受煤巖沖擊力的關鍵部位，使用過程中經常出現行星架斷裂故障[5-6]。因此針對某煤炭企業服役的采煤機截割滾筒行星架出現的斷裂故障，借助ANSYS 仿真計算軟件，開展截割滾筒行星架強度分析與改進工作具有重要意義。

1 滾筒采煤機結構及問題

企業服役的滾筒式采煤機結構組成如圖1 所示，主要由中間箱、牽引部、行走部和截割部四部分組成。中間箱的作用是對采煤機進行集中控制；牽引部的作用是采煤機掘進過程中為其前行提供電力牽引，實現采煤機沿滑軌向前移動的目的；行走部主要完成牽引力的降速增扭工作，達到采煤機行走過程的無級變速；截割部作為采煤機的關鍵組成部件，通過旋轉截割頭實現煤層截割前進，完成落煤任務，截割部的動力來源于內部行星結構，受力多為變化載荷，行星架工作時既受較大靜載，又受沖擊載荷，使用過程中出現了退刀槽位置破壞問題。為了提高行星架結構的可靠性，有必要對破壞問題進行原因分析與改進工作。

圖1 滾筒式采煤機結構

2 滾筒行星架有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

查閱采煤機截割滾筒行星架的隨機技術資料，結合現場實際測繪結果，運用Pro/E 三維軟件建立了行星架的三維模型。為了避免后續模型導入ANSYS仿真計算軟件時不出現錯誤，提高仿真計算效率，對三維模型進行了一定的簡化，忽略了對強度分析結果影響不大的螺栓孔、倒圓角等特征。行星架三維模型如圖2 所示。

圖2 采煤機滾筒行星架三維模型

2.2 材料屬性設置與網格劃分

將行星架三維模型另存為.igs 格式之后導入ANSYS 仿真計算軟件進行材料屬性設置，行星架材料為42CrMo。具體的材料屬性參數包括：彈性模量數值為206 GPa、泊松比數值為0.3、密度數值為7 850 kg/m3，屈服強度數值為630 MPa。完成上述參數設置之后即可進行網格結構的劃分，運用的是自由劃分網格方法，避免仿真計算中出現網格質量不佳的問題。

2.3 載荷與約束施加

根據采煤機實際工作情況，采集得到了截割滾筒行星架所受最大三向力的圖譜，如圖3 所示，X 方向最大載荷約為50 kN，Y 方向最大載荷接近0，Z 方向最大載荷約為25 kN，以行星架軸線為中心，進行上述最大工作載荷的施加。為了考慮行星架動載荷的影響，按照檢測得到的最大工作載荷的1.2 倍進行仿真計算，以便提高仿真結果的準確性。

圖3 行星架三向力檢測結果

2.4 仿真結果

采煤機截割滾筒行星架ANSYS 仿真計算前處理工作已完成，可以啟動軟件自動求解器進行強度分析計算工作，完成仿真計算過程之后，提取行星架強度分析后處理模塊中的等效應力分布云圖，如圖4 所示。

圖4 滾筒行星架等效應力分布云圖

由圖4的采煤機截割滾筒行星架等效應力分布云圖可以看出，行星架運行時的最大等效應力數值為610.25 MPa，出現在行星架的花鍵退刀槽位置，是行星架設計結構的薄弱環節。相較于采煤機截割滾筒行星架材料的屈服強度數值630 MPa，最大應力數值與其極為接近，可見行星架花鍵退刀槽位置存在較為嚴重的應力集中情況。結合實際工作中行星架退刀槽位置出現斷裂故障的情況，可以確定故障出現的原因就是因為該位置存在應力集中，因此，為了避免斷裂問題再次出現，提高行星架工作的可靠性，有必要開展結構優化改進工作。

3 改進設計

3.1 改進方案

查閱相關結構件退刀槽位置應力集中問題的改進方法，結合多年的工作經驗，給出如下可以采取的改進措施：一是用力學性能更優的材料制備行星架，提高行星架整體強度；二是對行星架熱處理工藝進行優化探索，以便充分發揮現在42CrMo 材料的強度；三是優化行星架本身的結構尺寸，包括孔洞的布置、倒角、圓角尺寸；四是優化行星架退刀槽位置的局部結構尺寸，降低行星架退刀槽位置的最大應力數值。綜合考慮行星架的實際應用情況及改進的難易程度，選擇第四種方法為宜，即適當減小退刀槽的深度，在原來基礎上減小0.3 mm。

3.2 改進效果

擬定行星架應力集中改進措施之后重新修改行星架三維模型，再次導入ANSYS 仿真計算軟件進行材料屬性、網格劃分、載荷施加等工作，要求與改進之前相一致。處理完成之后啟動求解器進行改進行星架強度分析，提取行星架仿真計算結果中的等效應力分布云圖，如圖5 所示。

圖5 改進滾筒行星架應力分布云圖

由圖5 改進滾筒行星架應力分布云圖可以看出，改進之后的滾筒行星架退刀槽位置依然存在應力集中情況，最大應力值為568.46 MPa，相較于改進之前，行星架工作時的最大應力數值降低了41.79 MPa，相較于行星架材料的屈服強度數值630 MPa，改進之后行星架的安全系數為1.108，存在61.54 MPa，足以滿足采煤機截割滾筒行星架可靠運行的要求，改進取得了成效。

4 應用效果評價

為了驗證仿真計算完成采煤機截割滾筒行星架改進的合理性，以改進之后行星架的結構模型繪制工程圖紙進行零件的加工。將改進行星架應用于采煤機截割滾筒進行試驗，對其進行為期4 個月的跟蹤記錄，結果表明，改進行星架運行穩定可靠，仿真計算結果合理準確。統計結果顯示，改進行星架的應用，提高了滾筒工作的可靠性和壽命，降低了采煤機近5%的故障修復時間，節約了采煤機的運行維護人員及成本，提高了綜采工作面采煤設備近3%的有效工作時間，減少了煤炭掘進成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近60 萬元/年，取得了很好的應用效果。

5 結論

行星架作為采煤機截割滾筒正常工作的重要部件，其工作可靠性要求較高。針對某煤炭企業服役的采煤機截割滾筒行星架出現的斷裂故障，借助ANSYS 仿真計算軟件，開展截割滾筒行星架強度分析工作，結果表明，行星架退刀槽位置存在應力集中是出現斷裂故障的主要原因。通過將行星架退刀槽深度減小0.3 mm，改善了行星架應力集中情況。應用結果表明，改進行星架后運行穩定可靠，提高了滾筒工作的可靠性和壽命，降低了采煤機近5%的故障修復時間，節約了采煤機的運行維護人員及成本，提高了綜采工作面采煤設備近3%的有效工作時間，減少了煤炭掘進成本，為煤炭企業新增經濟效益近60 萬元/年。