采煤机截割滚筒行星架强度分析与改进

王 健

（阳煤二矿，山西 阳泉 045000）

引言

煤炭作为我国经济社会发展的重要资源，近年来的需求量呈现出了高速增长的趋势，相关统计结果显示，我国煤炭资源占据石化能源总量的90%以上，煤炭需求量的增加使煤炭采掘工作日渐繁重[1-2]。煤炭的高效采掘不仅关系着煤炭企业的经济效益，还与国民经济的健康发展息息相关，因此需加强煤炭采掘机械的研究，以便提高煤炭的产量和效率[3]。采煤机作为煤炭采掘作业的关键设备之一，其功能是落煤和装煤，应用较多的为滚筒式采煤机，预计占比在90%以上。滚筒作为采煤机的关键组件，其工作的可靠性直接决定了采煤机的性能和效率，现已引起了煤炭行业广泛关注[4-5]。虽然现有的采煤机滚筒截割硬煤的能力已有所提高，但是个别部件任然存在强度不足的问题，滚筒行星架就是其中之一[6]。因此针对某型号采煤机滚筒行星架出现破坏的问题，以滚筒行星架为研究对象，借助有限元仿真分析软件，开展破坏原因分析并提出可行的改进策略具有重要意义。

1 滚筒采煤机结构概述

某型号滚筒式采煤机结构如图1 所示，组成包括中间箱、牵引部、行走部和截割部。中间箱用于控制整个采煤机的动作；牵引部的主要功能是为行走部传递动力，牵引部为电力牵引形式，依靠固定箱底部的滑靴与滑轨支撑推动输送机正常运行；行走部分在牵引部提供的动力驱动下实现降速增扭，实现采煤机行进过程中的无极调速；截割部作为煤炭截割的重要部分，其滚筒旋转运动产生的截割力直接与煤炭接触，通过滚筒上分布的截齿实现煤层破碎，利用连续转动的螺旋叶片将落下的煤炭输送至采煤机配套的刮板输送机中，完成煤炭的采掘工作过程。

图1 滚筒式采煤机结构

2 滚筒行星架有限元仿真分析

2.1 三维模型建立

运用SolidWorks 软件完成滚筒行星架三维模型的建立，为了提高仿真计算的效率，对其进行了一定的简化，忽略的行星架中不影响仿真计算结果的倒角等要素，之后即可另存为.igs 格式文件导入ANSYS仿真计算软件进行强度分析。建立完成的采煤机滚筒行星架三维模型如图2 所示。

图2 采煤机滚筒行星架三维模型

2.2 材料属性设置与网格划分

导入行星架三维模型之后进行材料属性设置，行星架材料牌号为ZG42CrMo，材料属性参数如下：密度为7 850 kg/m3，屈服强度为630 MPa，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3。完成行星架材料属性设置之后进行网格划分，为了提高网格划分效率，采用自由化分方法完成了行星架网格的划分工作。

2.3 载荷与约束施加

结合采煤机实际运行情况，分析计算得出了滚筒行星传动部件的受力情况如下，太阳轮所受的轴向载荷约为35 kN，行星架所受的轴向载荷大小约为10 kN，作用于行星架轴孔的中心。载荷施加时，将其转换为行星架半圆柱面上的正弦分布载荷，更真实的模拟采煤机滚筒行星架的运行状态。

2.4 仿真结果

完成滚筒行星架有限元仿真分析前处理工作之后即可启动ANSYS 仿真计算软件中自带的求解器，运行滚筒行星架有限元仿真计算程序。完成仿真计算之后调取滚筒行星架仿真计算结果中的等效应力分布云图，如图3 所示。

图3 滚筒行星架应力（Pa）分布云图

由图3 滚筒行星架工作过程中的等效应力分布云图可以看出，行星架大直径端部的工作应力高于小直径端部，最大应力值为614 MPa，出现在行星架大直径端部的连接螺栓孔位置。相较于行星架材料的屈服强度630 MPa，行星架最大工作应力与其极为接近，工作过程存在安全隐患，有必要进行改进设计。分析结果表明，滚筒行星减速器运行时，行星轴与行星架相当于悬臂梁结构，故而出现了行星架大直径端应力值高于小直径端的情况。

3 改进设计

3.1 改进方案

类似行星架的结构件出现强度不足问题时的改进措施如下：更换强度更高的结构件材料，保证整体结构强度满足使用要求；优化结构件的热处理工艺参数，实现整个结构件综合力学性能的提高；优化设计结构件的结构参数，充分发挥材料的强度；改变结构件的局部结构，降低结构件局部的最大应力。综合考虑行星架结构改进的难易程度和使用环境，选择改变结构件的局部结构的方法进行改进设计，研究增大行星架大直径端连接螺栓孔厚度的方法对行星架最大工作应力的影响，在原来的厚度值基础上增加1.5 mm。

3.2 改进效果

按照行星架改进之后的尺寸进行三维模型的修改，再次导入ANSYS 仿真计算软件进行前处理，要求各个设置参数与改进之前一致。完成前处理之后启动求解器进行行星架强度分析，提取行星架仿真计算结果中的等效应力分布云图，如图4 所示。

图4 改进后滚筒行星架应力（Pa）分布云图

由图4 改进后滚筒行星架应力分布云图可以看出，依然是行星架大直径端的等效应力高于小直径端部，最大应力值为572 MPa，处于行星架大直径端部的连接螺栓孔位置。相较于改进之前，行星架的最大工作应力降低了42 MPa，相较于行星架材料的屈服强度630 MPa，存在58 MPa 的安全裕度，足以满足采煤机滚筒行星架可靠工作的要求，改进效果显著。

4 应用效果分析

为了验证仿真计算结果的准确性，根据行星架仿真计算得到的结构尺寸进行工程制造，将其应用于某型号采煤机滚筒减速器当中，跟踪记录3 个月运行状况。结果表明，改进后的行星架运行可靠，满足滚筒稳定工作的要求，仿真计算结果准确。统计结果显示，改进后的滚筒行星架该应用提高了滚筒工作的寿命，降低了近15%的采煤机故障停机时间，减少了采煤近10%运行维护成本，提高了近8%综采工作面内掘进设备的利用率，降低了煤炭成本，为煤炭企业新增经济效益近150 万元/年，取得了很好的应用效果。