采煤機運動參數對截割部行星減速器疲勞壽命的影響分析

張 軍

（晉能控股煤業集團機電管理分公司， 山西 大同 037003）

引言

采煤機是煤礦自動化開采過程中的主要設備，截割部作為采煤機的截割機構，對煤礦的截割率及生產效率具有重要的影響。截割部行星減速器作為采煤機截割的主要傳動部件，在采煤機進行煤層截割的過程中，由于煤層開采的地質環境復雜、條件惡劣，容易造成行星減速器的行星架、行星軸等關鍵零件疲勞失效[1]，降低采煤機工作的可靠性和穩定性。采煤機在進行截割過程中的牽引速度及滾筒轉速，不僅與截割率、塊煤率等有關，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鍵零部件的疲勞壽命進行仿真，從而進一步確定采煤機的運動參數與疲勞壽命之間的關系[2]，便于優化采煤機的作業參數，保證行星減速器的可靠性，提高采煤機的作業效率，同時保證采煤機的安全作業。

1 截割部行星減速器疲勞壽命分析模型的建立

在采煤機工作過程中，行星減速器作為主要的輸出構件，輸出滾筒的轉速較低，減速器進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，容易發生疲勞失效，造成采煤機的損壞。對截割部行星減速器進行疲勞壽命分析，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，將各零部件進行裝配[3]，對裝配模型進行干涉檢查，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行結構的疲勞分析[4]，nSoft 可以直接將有限元計算的結果導入軟件中，并能直接進行模型的材料、分組及應力等數據的讀取，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入nSoft及有限元分析軟件ADAMS 中[5]，對關鍵零件進行柔性化處理，得到采煤機截割部的剛柔耦合模型，如圖1 所示。

圖1 截割部剛柔耦合模型

2 不同運動參數對截割部行星減速器疲勞壽命的影響分析

在進行行星減速器疲勞壽命分析過程中，設定初始工況為牽引速度2.5m/min、滾筒轉速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力，將載荷文件導入nSoft 中進行疲勞壽命的分析。

2.1 牽引速度

牽引速度對采煤機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行仿真。將不同牽引速度下的受力參數以文本的形式導入ADAMS 中進行動力學仿真，將結果導入nSoft 中進行疲勞壽命的分析。當牽引速度為2.5m/min時，將nsoft 的疲勞壽命分析結果利用兩者之間的接口，導入ADAMS 中進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，行星架的疲勞循環中，較低的疲勞循環次數區域主要集中在行星架的輸出端，以花鍵結構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，循環次數較少。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行分析，并將得到的疲勞壽命進行統計，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 滾筒轉速

滾筒轉速不同對采煤機的效率及受力影響不同，同樣對滾筒轉速對疲勞壽命的影響進行分析。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，分別改變滾筒轉速的大小，對不同滾筒轉速下的行星架壽命進行仿真。分別設定滾筒轉速為80～100 r/min 之間，對不同滾筒轉速下的疲勞壽命進行分析，將nsoft 的疲勞壽命分析結果，利用兩者之間的接口，導入ADAMS 中進行后處理模塊分析，可對行星架的疲勞壽命進行分析，由于花鍵位置的結構造成此處的工況惡劣，壽命循環次數較小，將不同滾筒轉速下得到的疲勞壽命進行統計，得到如圖4 所示的疲勞壽命隨滾筒轉速的變化曲線。

圖4 疲勞壽命隨滾筒轉速變化曲線

從圖4 中可以看出，隨著滾筒轉速的增加，行星架的疲勞壽命隨之不斷增加，這是由于滾筒轉速的增加，導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，在采煤機工作中，在保證截割率的同時，對采煤機速度的調整，可以通過同時改變牽引速度及滾筒轉速從而控制行星減速器的疲勞壽命，實現采煤機的協同調速，并保證可靠性。

3 結語

采煤機是進行煤礦開采的主要設備，截割部減速器作為直接參與截割的關鍵傳動部件，其疲勞壽命對采煤機的可靠性具有重要的影響。采用仿真分析的方式，對采煤機運動過程中的牽引速度及滾筒轉速對減速器疲勞壽命的影響進行分析。結果表明，牽引速度的增加，會引起行星架疲勞壽命的減小；滾筒轉速的增加，會引起行星架疲勞壽命的增加。在采煤機進行截割的過程中，可通過對牽引速度及滾筒轉速的協同調節，保證減速器等關鍵結構的疲勞壽命，從而提高采煤機的可靠性，并提高煤礦的生產效率。