采煤机截割机构行星架的优化研究

2022-01-27武晓斌

机械管理开发 2021年12期

武晓斌

（霍州煤电集团晋南煤业有限公司，山西运城 043300）

引言

目前，多数煤矿煤层所处地质条件相对复杂，其直接顶为硬质页岩，煤层内含有多层夹矸，井下直接底主要由角砾岩和页岩构成，交错分布，整体结构不稳定性大，硬度大。在使用SL-500 型采煤机进行综采作业时，平均每采3 万t 煤采煤机的行星架就会出现一次断裂，根据对断裂行星架的观测，其断裂位置主要分布在行星架筋板的底部。每次断裂后都需要停产进行更换，严重影响了井下综采作业效率。因此，以SL-500 采煤机为例，对其截割机构行星架进行优化研究。

1 采煤机行星架断裂原因分析

根据对行星架断裂位置和现象的分析，初步判定行星架的断裂为疲劳断裂，因此项目组从行星架材料成分和结构强度两个方面对其断裂原因进行分析。

由于SL-500 采煤机的行星架为一体式铸造成型，所使用的材料为高强度铬锰合金，其硬度（HB）为290，在成型后进行调质处理，为了确定断裂行星架的材料性能是否符合标准，项目组从断裂的行星架断口处取金属材料进行化学成分分析，结果如表1 所示。

表1 化学成分测试汇总表%

断裂行星架的机械性能测试结果如表2 所示。

表2 机械性能测试汇总表

由测试分析结果可知，断裂行星架的化学成分和机械性能均符合要求，因此行星架的断裂不是由于材料缺陷不足导致的。

采煤机在进行综采作业过程中无法避免在不同硬度条件下进行截割作业，使行星架会受到交变的载荷冲击作用，若载荷冲击过大会导致行星架在应力集中处瞬间超过承受极限而断裂。为了对采煤机在综采作业时的载荷冲击变化情况进行研究，利用SL-500 采煤机上自带的CF 卡对截割驱动电机工作时的实际截割电流和额电流比值进行记录，根据截割电流的变化情况即可推断出所对应的截割载荷。截割电流变化如图1 所示。

图1 截割电机电流变化示意图

由图1 可知，在截割过程中，采煤机截割电机的实际输出电流呈现不规则的变化趋势，主要是由于岩层硬度的变化导致的。截割电机的实际输出电流达到了额定电流的159%，即在截割过程中作用在采煤机的瞬间截割载荷冲击达到了额定冲击量的1.59 倍，因此使采煤机截割机构的行星架承受了极大的冲击。

由于采煤机行星架的断裂均发生在第四个筋条和上下台面的接触位置，此位置刚好为行星架上相对薄弱且应力较为集中的位置。因此结合材料分析和受力分析结果，可以确定采煤机行星架的断裂主要是采煤机行星架长期在大载荷交变冲击下在应力集中的位置产生了疲劳破坏，随着时间的推移，疲劳破坏产生的裂纹不断增加而导致。

2 行星架结构优化方案

针对采煤机行星架断裂的原因，项目组提出一方面增加行星架本身的结构强度，另一方面优化结构降低应力集中的方案。

行星架本身结构强度提高，对行星架结构强度的提升主要是通过改变行星架的加工方式，将锻造改为一体式锻焊结构[1]，同时采用高强度合金材料替代原有的铬锰合金，在不增加结构重量的情况下将行星架的结构强度提升了31.9%，其韧性提升了21.6%。

行星架结构优化，主要是提高断裂区域的材料壁厚，将该处的材料厚度由14 mm 提升为27 mm，同时在断裂位置将直角焊接连接结构更改为了R20的圆角过渡结构，降低工作时的应力集中。优化后的行星架结构如图2 所示。

图2 优化后的行星架结构示意图

为了对优化后的行星架在受力时的应力分布情况进行研究，利用ANSYS 仿真分析[2]软件对其进行仿真分析，根据SL-500 型采煤机工作时的载荷变化情况，设定作用在行星架上的立井为28 598 N·m，载荷为33 050 N，仿真分析结果如图3 所示。

图3 优化后行星架的受力分析示意图

由仿真分析结果可知，优化后行星架的最大应力集中位置依然是在第四个筋条和上下台面的接触位置，但最大应力约为195 MPa，比优化前降低了57.7%，远低于370 MPa 的材料强度极限，同时由于材料韧性的提升，工作时的抗拉强度提高到了890 MPa，能够确保行星架承受4 倍的最大应力，极大地提升了抗疲劳破坏的能力。

对使用新行星架的采煤机的工作情况进行跟机验证，自应用以来，采煤机的行星架断裂频率由3 万t/个降低到了15.6 万t/个，使用寿命提升了5.2 倍，显著提升了采煤机的运行经济性和综采效率。