采煤機截割機構行星架的優化研究

武曉斌

（霍州煤電集團晉南煤業有限公司， 山西 運城 043300）

引言

目前，多數煤礦煤層所處地質條件相對復雜，其直接頂為硬質頁巖，煤層內含有多層夾矸，井下直接底主要由角礫巖和頁巖構成，交錯分布，整體結構不穩定性大，硬度大。在使用SL-500 型采煤機進行綜采作業時，平均每采3 萬t 煤采煤機的行星架就會出現一次斷裂，根據對斷裂行星架的觀測，其斷裂位置主要分布在行星架筋板的底部。每次斷裂后都需要停產進行更換，嚴重影響了井下綜采作業效率。因此，以SL-500 采煤機為例，對其截割機構行星架進行優化研究。

1 采煤機行星架斷裂原因分析

根據對行星架斷裂位置和現象的分析，初步判定行星架的斷裂為疲勞斷裂，因此項目組從行星架材料成分和結構強度兩個方面對其斷裂原因進行分析。

由于SL-500 采煤機的行星架為一體式鑄造成型，所使用的材料為高強度鉻錳合金，其硬度（HB）為290，在成型后進行調質處理，為了確定斷裂行星架的材料性能是否符合標準，項目組從斷裂的行星架斷口處取金屬材料進行化學成分分析，結果如表1 所示。

表1 化學成分測試匯總表%

斷裂行星架的機械性能測試結果如表2 所示。

表2 機械性能測試匯總表

由測試分析結果可知，斷裂行星架的化學成分和機械性能均符合要求，因此行星架的斷裂不是由于材料缺陷不足導致的。

采煤機在進行綜采作業過程中無法避免在不同硬度條件下進行截割作業，使行星架會受到交變的載荷沖擊作用，若載荷沖擊過大會導致行星架在應力集中處瞬間超過承受極限而斷裂。為了對采煤機在綜采作業時的載荷沖擊變化情況進行研究，利用SL-500 采煤機上自帶的CF 卡對截割驅動電機工作時的實際截割電流和額電流比值進行記錄，根據截割電流的變化情況即可推斷出所對應的截割載荷。截割電流變化如圖1 所示。

圖1 截割電機電流變化示意圖

由圖1 可知，在截割過程中，采煤機截割電機的實際輸出電流呈現不規則的變化趨勢，主要是由于巖層硬度的變化導致的。截割電機的實際輸出電流達到了額定電流的159%，即在截割過程中作用在采煤機的瞬間截割載荷沖擊達到了額定沖擊量的1.59 倍，因此使采煤機截割機構的行星架承受了極大的沖擊。

由于采煤機行星架的斷裂均發生在第四個筋條和上下臺面的接觸位置，此位置剛好為行星架上相對薄弱且應力較為集中的位置。因此結合材料分析和受力分析結果，可以確定采煤機行星架的斷裂主要是采煤機行星架長期在大載荷交變沖擊下在應力集中的位置產生了疲勞破壞，隨著時間的推移，疲勞破壞產生的裂紋不斷增加而導致。

2 行星架結構優化方案

針對采煤機行星架斷裂的原因，項目組提出一方面增加行星架本身的結構強度，另一方面優化結構降低應力集中的方案。

行星架本身結構強度提高，對行星架結構強度的提升主要是通過改變行星架的加工方式，將鍛造改為一體式鍛焊結構[1]，同時采用高強度合金材料替代原有的鉻錳合金，在不增加結構重量的情況下將行星架的結構強度提升了31.9%，其韌性提升了21.6%。

行星架結構優化，主要是提高斷裂區域的材料壁厚，將該處的材料厚度由14 mm 提升為27 mm，同時在斷裂位置將直角焊接連接結構更改為了R20的圓角過渡結構，降低工作時的應力集中。優化后的行星架結構如圖2 所示。

圖2 優化后的行星架結構示意圖

為了對優化后的行星架在受力時的應力分布情況進行研究，利用ANSYS 仿真分析[2]軟件對其進行仿真分析，根據SL-500 型采煤機工作時的載荷變化情況，設定作用在行星架上的立井為28 598 N·m，載荷為33 050 N，仿真分析結果如圖3 所示。

圖3 優化后行星架的受力分析示意圖

由仿真分析結果可知，優化后行星架的最大應力集中位置依然是在第四個筋條和上下臺面的接觸位置，但最大應力約為195 MPa，比優化前降低了57.7%，遠低于370 MPa 的材料強度極限，同時由于材料韌性的提升，工作時的抗拉強度提高到了890 MPa，能夠確保行星架承受4 倍的最大應力，極大地提升了抗疲勞破壞的能力。

對使用新行星架的采煤機的工作情況進行跟機驗證，自應用以來，采煤機的行星架斷裂頻率由3 萬t/個降低到了15.6 萬t/個，使用壽命提升了5.2 倍，顯著提升了采煤機的運行經濟性和綜采效率。

3 結論

1）采煤機行星架的斷裂主要是采煤機行星架長期在大載荷交變沖擊下在應力集中的位置產生了疲勞破壞，隨著時間的推移，疲勞破壞產生的裂紋不斷增加而導致。

2）通過采用高強度合金材料、優化行星架結構的方式，將行星架的結構強度提升了31.9%，韌性提升了21.6%。

3）優化后，行星架的應力集中比優化前降低了57.7%，斷裂頻率由3 萬t/個降低到了15.6 萬t/個，使用壽命提升了5.2 倍，顯著提升了采煤機的運行經濟性和綜采效率。