礦用刮板輸送機行星架靜力結構和模態分析

王 堃

（長溝煤礦有限責任公司，山西 和順 032700）

引言

行星架作為礦用刮板輸送機減速器的重要組成部分，其不僅需要具有較高的強度與剛度，還需要在滿足行星架基本功能的情況下，最大限度控制其體積和質量大小，并保障整體減速器結構的最優性。然而傳統的計算方法難以實現行星架的有效檢核分析，所以提出一種有限元分析方法，通過靜力結構和模態分析兩個角度來對礦用刮板輸送機行星架進行檢驗分析，保證檢驗結果精準性的同時，降低行星架檢驗分析難度。

1 礦用刮板輸送機減速器結構特點

礦用刮板輸送機所采用的減速機構多為行星齒輪傳動結構，此結構根據與刮板輸送機溜槽的相對位置進行分類，可分為垂直安裝行星齒輪傳動結構和平行安裝新型齒輪傳動結構兩種。其中垂直安裝行星齒輪傳動結構主要采用兩級行星傳動機構；平行安裝行星齒輪傳動結構則由兩級主動輪、兩級從動輪、太陽輪、行星輪等結構共同組成。在兩類行星齒輪傳動結構中，平行安裝新型齒輪傳動結構在綜采工作面的應用更多。

2 礦用刮板輸送機行星架模型構建

根據礦用刮板輸送機行星架模型實際情況，通過Solidworks 三維建模軟件對行星架進行三維建模，為降低后續計算機仿真模擬分析時計算壓力，需要將行星架模型簡化為圓柱體。然后將所構建出的三維模型導入到ANSYS 有限元軟件中，合理設置材料及參數。在具體有限元分析中所采用的材料為QT900-8 材料，此種材料的密度、彈性模量、泊松比、拉伸屈服強度分別為7.09 g/cm3、169 GPa、0.305、600 MPa。最后為模型進行網格劃分，最終劃分出342 004 個節點和204 339 個單元，所構建出的網格劃分模型如圖1 所示。

圖1 行星架網格劃分模型

此外，在構建網絡劃分模型后，還需要對模型施加載荷及設定邊界條件：首先，將行星架輸入端的腹板設置為全約束，而行星架輸出端的腹板則不設置約束。其次，對行星架輸入端和輸出端軸承安裝區域配置有無滑動支撐約束。再次，為行星架輸入端和輸出端施加載荷，具體載荷條件設置為額定輸出扭矩。最后，考慮到行星架在正常運行過程中會受到重力的影響，所以還需要為行星架設置重力加速度，以此為后續模態分析提供基礎保障[1-2]。

3 礦用刮板輸送機行星架有限元分析

3.1 靜力結構

所謂靜力結構分析，就是指忽略慣性、阻尼等影響因素，在靜態載荷的作用下，整體結構系統處于靜力平衡狀態。由于靜力結構分析過程中不考慮慣性和阻尼，所以結構系統的質量將不會對整體結構性能造成影響，可以有效獲取理想結構性能分析結果，進而為結構設計提供重要參考。

由于具體有限元分析過程中采用整體式結構，所以此有限元方法具有以下優勢：

1）可以滿足公司的批量化生產；

2）整個行星架結構可采用球墨鑄鐵材料進行一體化鑄造，降低制造難度的同時，還能夠保障行星架整體結構性能的一致性；

3）整體式結構采用國際先進的等溫淬火熱處理工藝，可進一步提高行星架整體性能，滿足礦用刮板輸送機的實際運行需求；

4）整體式結構在加工定位時基準誤差更小，可以保障定位基準的全面統一。

如圖2 所示，礦用刮板輸送機行星架的最大位移值為0.223 mm，其中最大位移點處于行星架輸送段腹板區域。如圖3 所示，礦用刮板輸送機行星架的最大應力值為421.28 MPa，最大應力點同樣位于行星架輸送段腹板區域。同時，礦用刮板輸送機行星架所采用的材料為QT90o-8，此種材料的拉伸屈服強度為600 MPa，而行星架的最大應力值僅為421.28 MPa，低于此數值，說明行星架所承受的應力值可以滿足材料和結構需求。

圖2 行星架等效位移云圖

圖3 行星架等效應力云圖

3.2 模態分析

基于現有研究成果可知，模態分析具有以下幾方面作用：

1）模態分析可以為設計時提供更為精準有效的結構系統固有頻率、模態振型、模態剛度、模態阻尼以及模態質量的全面分析評估參考；

2）模態分析可用于有限元分析模型的修正指導，進而促使有限元分析模型得到進一步優化和改進；

3）通過模態試驗可用于構建結構系統中某一構件的數學模型，并將此模型組合到整體結構系統中，保障結構系統的科學性；

4）模態分析可用于結構系統動力學分析，進而實現該結構系統的靈敏度以及計算反問題分析研究效果；

5）模態分析可用于實現構件的響應計算和載荷識別分析。

在完成行星架的靜力結構分析后，可通過ANSYS 軟件中的Workbench 模塊來實現行星架的模態分析。具體分析過程中應先構建一個預應力模態分析系統，然后將靜態結構分析中所獲取的各類參數結構作為模態分析邊界條件，導入到預應力模態分析系統中，進而獲取模態分析系統所輸出的前六階固有頻率，具體情況如圖4 所示。

圖4 行星架模態分析前六階固有頻率

同時，預應力模態分析系統還可以輸出行星架的模態振型，具體情況如圖5 所示。

圖5 行星架模態第一階振型

圖5 中結果為行星架模態第一階振型，其他階振型結構獲取過程與第一階振型獲取過程大致相同。通過行星架模態振型分析結果可知，行星架的模態振型主要表現為扭振，并且該扭振具體表現為軸向無扭振，斷面存在扭振的特點。同時，根據模態振型分析結果可知，行星架所發生的扭振固有頻率為762.62 Hz，此頻率與其他傳動構件以及刮板輸送機正常工作頻率存在較大差異，不會出現同頻率共振情況。

4 礦用刮板輸送機行星架模型的工程應用

本文針對傳統計算方法難以實現行星架的有效檢核分析這一問題，提出一種有限元分析方法，通過靜力結構和模態分析兩個角度來對礦用刮板輸送機行星架進行檢驗分析。為能夠進一步驗證此種方法的有效性，在具體研究中還將此有限元分析方法應用于工程實踐，具體分析過程中引入多種礦用刮板輸送機的行星架作為具體模型優化參考依據，進而以此有限元分析方法對行星架模型進行優化完善，并將優化后的模型與現有模型進行匹配對比及有限元分析，最終檢驗優化后模型的有效性。根據實際工程實踐結果來看，相對于現有礦用刮板輸送機行星架來說，改進后的行星架具有更強的結構性能，并且其扭振固有頻率與礦用刮板輸送機的正常工作頻率存在較大差異，不會存在同頻率共振情況，進而更有利于保障礦用刮板輸送機的正常使用，可以在后續設計中進行參考應用。

5 結語

本文針對傳統計算方法中存在的行星架檢核難度大等問題，提出一種有限元分析方法，為驗證此種方法的有效性，將有限元分析方法應用于工程實踐，最終發現相對于傳統方法來說，有限元分析方法更有利于發現行星架中存在的各類不足，進而及時進行改進優化，保障行星架整體設計的有效性。具體來說，本研究共獲得以下研究成果：

1）針對傳統計算方法的不足，提出一種有限元分析方法。

2）基于有限元分析方法分別開展靜力結構分析和模態分析，其中靜力結構分析可有效發現行星架存在的結構性能等方面問題；模態分析可用于發現行星架存在的模態振型和固有頻率，避免行星架在具體應用中的振型頻率與刮板輸送機其他結構運行頻率保持一致，引發同頻率共振情況。