采煤機截割部行星架疲勞強度分析與改進設計

王亮

（山西鄉寧焦煤集團燕家河煤業有限公司，山西 臨汾 042100）

1 概況

煤炭作為我國儲存總量最大的自然資源，是保障我國經濟和社會穩健發展基礎。采煤機作為煤炭開采的關鍵設備，其工作壽命的長短直接關系煤炭企業的產能和效益。截割部行星架是采煤機截割部傳動機構的組成部件，因我國煤礦開采大都為井下開采，工況較為惡劣，行星架極易受到復雜、多變沖擊載荷的影響而失效，也是采煤機工作過程中出現疲勞破壞概率較高的結構件，必須引起使用者的高度重視。有限元仿真技術的發展，為結構件疲勞強度分析提供了工具，可以代替傳統疲勞試驗需要較大人力、物力和財力的方法，縮短了疲勞分析時間，能夠得到較為準確的分析結果，對于指導結構件的設計與改進工作具有重要意義。本文以燕家河煤業MG400/951-WD 型采煤機截割部行星架為研究對象，借助ANSYS 仿真分析軟件，開展采煤機截割部行星架疲勞強度分析與優化設計工作，對于提高采煤機截割部行星架的使用壽命具有重要意義。

2 截割部結構組成

MG400/951-WD 型采煤機截割部結構組成如圖1 所示，截割部動力輸出端連接截割滾筒，動力輸入端連接截割電機，動力輸出端與輸入端之間為傳動系統，主要由不同截割軸、惰輪軸和傳動齒輪組成。為了提高截割滾筒的截割力矩，在空間有限的傳動鏈中引入了2 組行星減速器，分別為一級行星減速器和二級行星減速器，每個行星減速器都包含1 個行星架。由于行星架工作在靠近截割滾筒的位置，工作過程中受力較為復雜，尤其是二級行星架，工作時處于高速運轉狀態，在交變的沖擊載荷作用下極易出現疲勞破壞，因此，為了提高采煤機截割部工作的可靠性，必須提高行星架結構的疲勞強度。

圖1 采煤機截割部組成Fig.1 Composition of shearer cutting unit

3 行星架疲勞強度分析

3.1 三維模型建立

查閱MG400/951-WD 型采煤機截割部技術圖紙得到二級行星架結構的尺寸，采用Pro/E 三維建模軟件完成行星架模型的建立。行星架屬于軸類結構，運行Pro/E 建模環境中的拉伸和切除即可完成行星架三維模型的繪制。將行星架模型另存為.stp文件之后即可導入ANSYS 仿真分析軟件。

3.2 材料屬性

導入ANSYS 仿真分析軟件之后的行星架模型即可進行疲勞強度分析前處理工作，設置材料屬性。根據實際情況，行星架結構使用的材料牌號為20CrMnTi，彈性模量E=208 GPa，泊松比λ=0.26，屈服強度σ=835 MPa，運用ANSYS 仿真分析軟件完成行星架材料屬性設置。

3.3 網格劃分

網格劃分是仿真分析過程中重要的前處理工作，網格形式和尺寸的設置對后續的仿真分析結果的準確性具有重要的影響。行星架為實體結構，形式較為簡單，此處選擇實體單元進行網格劃分，劃分方式為自由劃分網格。

3.4 載荷與約束施加

相關研究表明，采煤機工作過程中前滾筒所受的沖擊載荷要高于后滾筒，因此，此處重點分析采煤機截割部前滾筒處的行星架。檢測得到燕家河煤業MG400/951-WD 型采煤機前滾筒工作載荷如圖2和圖3 所示。

圖2 滾筒三向力Fig.2 Three-way force of drum

圖3 滾筒三向力矩Fig.3 Three-direction torque of drum

根據圖2 和圖3 數據，在滾筒質心處施加載荷并保證與滾筒實際受力方向一致，約束行星架花鍵套內表面。

3.5 仿真結果

行星架完成有限元仿真分析前處理之后設置仿真步長和時長，啟動軟件自帶求解器進行行星架的疲勞強度分析工作，分析出結果之后提取行星架等效應力分布云圖，如圖4 所示。

圖4 行星架等效應力分布云圖Fig.4 Equivalent stress distribution cloud diagram of planet carrier

由圖4 可以看出，行星架工作過程中最大等效應力數值為σmax=796 MPa，位置出現在花鍵套外側截面突變位置，除最大應力位置之外，其他行星架結構的工作應力較小。行星架結構材料20CrMnTi的屈服強度σ=835 MPa，行星架工作過程中的最大應力σmax與材料的屈服強度σ 較為接近，在采煤機截割部工作過程中一旦出現煤層硬度等變化時，就會對行星架產生較大的沖擊作用，行星架存在斷裂破壞的可能。因此，為了提高行星架的疲勞強度，保證采煤機能夠可靠穩定工作，需要對行星架進行優化設計。

4 優化設計

4.1 行星架結構分析

基于行星架疲勞強度分析結果中花鍵套外側存在應力集中的情況，從行星架技術圖（圖5） 上進行可能引起應力集中情況的因素分析，主要涉及的尺寸包括倒圓角R1、長度尺寸L1，厚度尺寸H1和直徑尺寸D1，各個尺寸的數值為R1=2 mm、L1=10 mm、H1=7 mm、D1=235 mm。

圖5 行星架工程圖紙Fig.5 Planetary frame engineering drawings

結合行星架結構形式和多年的工作經驗，對行星架結構進行改進設計，降低行星架最大工作應力。由于長度尺寸L1，厚度尺寸H1和直徑尺寸D1結構尺寸的變化存在影響行星架與采煤機接口問題，改進工作量和難度會大大增加，因此決定從改變行星架倒圓角R1入手，而且行星架倒圓角位置存在應力集中，降低應力集中數值的方法可以由應力集中位置的局部尺寸開展。根據實踐經驗，結構件存在界面突變時，突變位置倒圓角尺寸越小，應力集中就會越敏感，因此，經過綜合分析確定，將倒圓角由原來的2 mm 提高至8 mm。

4.2 改進結果分析

為了驗證增大行星架花鍵套外側位置倒圓角尺寸對行星架工作應力的影響，將之前Pro/E 三維建模軟件行星架模型進行相應的修改，將原來的倒圓角2 mm 改為8 mm，其余的結構尺寸及模擬設置保持不變。啟動仿真分析軟件自帶的求解器進行改進行星架疲勞強度分析，分析工作完成提取改進行星架結構的等效應力分布云圖，如圖6 所示。

圖6 改進行星架等效應力分布云圖Fig.6 Improved equivalent stress distribution cloud diagram of planet carrier

由圖6 改進行星架等效應力分布云圖可以看出，行星架工作過程中的最大疲勞應力數值為347 MPa，位置仍然在花鍵套外側截面突變位置。但相較于改進之前的行星架，工作時的最大等效應力減小了449 MPa，相較于行星架結構材料的屈富強度835 MPa，工作過程中的具有足夠的安全裕度，安全系數為2.4，能夠保證采煤機截割部工作的可靠運行，改進工作取得了很好的效果。

4.3 實踐應用效果

通過仿真分析確定增大行星架倒圓角半徑的方法能夠改善行星架應力集中的問題，之后燕家河煤業進行了行星架結構的改進與試制，將增大倒圓角半徑的行星架應用與原采煤機進行試驗，確定行星架改進工作的成果。結果表明，改進之后的行星架結構能夠正常安裝在采煤機中，不需要對截割部連接位置進行調整；相較于改進之前的行星架，改進行星架結構的應用提高了采煤機截割部運行的穩定性。統計結果顯示，改進之前的行星架運維工作周期為2 個月/次，需要對截割部進行拆卸檢修，重點關注行星架花鍵套外側位置是否存在裂紋或者開裂等問題；改進行星架之后，運維周期延長至了5個月/次，降低了運維工作的強度，減少了采煤機運行維護的費用，提高了采煤機工作的可靠性和有效工作時間，保證了煤炭企業的煤炭產能和效率，降低了煤炭生產成本，預計為煤炭企業創造不低于60 萬/a 的經濟效益，改進效果顯著。

5 結語

行星架作為采煤機截割部的重要結構部件，其工作的可靠性直接關系采煤機功能的正常使用和壽命。以燕家河煤業MG400/951-WD 型采煤機截割部行星架為研究對象，借助ANSYS 仿真分析方法，進行了行星架疲勞強的分析工作，得出行星架花鍵套外側界面突變位置存在應力集中，最大應力數值796 MPa，與行星架結構材料的屈服強度835 MPa非常接近，工作過程中存在斷裂風險。通過將行星架花鍵套外側倒圓角半徑由原來的2 mm 提高至8 mm 的方法完成了改進，再次進行仿真計算得出，行星架應力集中位置的最大應力降低至347 MPa，應力集中位置仍然處于花鍵套外側截面突變位置，但相較于行星架結構材料的屈服強度835 MPa 具有2.4 的安全系數。在燕家河煤業的實踐應用結果表明，改進行星架的使用，使行星架的運維周期由原來的2 個月/次降低到了5 個月/次，降低了運維工作的強度，節省了采煤機運維工作費用，保證了煤炭企業的產能和效益，為煤炭企業新增經濟效益60 萬/a。