关于刮板输送机中313型行星架的结构强度分析

2020-03-23梁军军

煤 2020年3期

梁军军

(霍州煤电集团辛置煤矿，山西霍州 031412)

刮板输送机作为煤矿开采中的重要设备，凭借其工作效率高、性能稳定可靠等特点，被广泛应用。刮板输送机的运行性能，直接影响着煤矿的开采量和企业的经济效益[1]。行星架作为刮板输送机中的重要部件，对其结构强度、刚度及结构特点等方面均具有较高要求，而在其使用过程中，会因自身受力过大、作业时间过长、井下环境恶劣等原因出现结构变形、结构裂纹、结构断裂等故障现象，严重影响着刮板输送机的工作效率和作业安全[2]。提高行星架的结构强度，是提高刮板输送机工作效率的重要保障。因此，有必要对行星架的结构强度进行分析研究。

本文选取刮板输送机中313型行星架为研究对象，以静力学分析为基础，采用proe及ANSYS软件，建立了行星架的仿真模型，开展了行星架应力变化、结构变形的仿真分析，得出了行星架整体结构在长期运行中极易发生较大的弯曲变形和疲劳失效等故障，并由此提出对行星架结构改进的措施。

1 行星架受力分析

行星架作为刮板输送机中关键部件，其在作业过程中经常会受到静态力、动态力等的交替作用，这是导致行星架发生结构变形或断裂的重要因素。因此，在仅考虑静态作用力情况下，对行星架运动过程中受力情况进行简要分析。

根据经典力学可得行星架的静力学通用平衡方程为[3]：

在行星架实际受力分析时，由于主要受到静力作用，故在该平衡公式中不考虑与时间相关的矢量。由此，通过对行星架作用过程中的简化及受力分析，得到了行星架的转矩平衡方程，简化后公式如下：

Tx=-TA·i=225 kN·m

式中：Tx为行星架的输出扭矩；i为传动系统速比，结合实际情况，可取4.5；TA为太阳轮输入扭矩，结合实际情况，可取50 kN·m。

2 行星架模型建立

2.1 三维模型建立

以313型号行星架为研究对象，根据其实际结构特点，采用PROE软件，对行星架进行了三维模型建立[4]。同时，为提高模型后期的仿真精度和分析速度，对行星架上非关键的圆弧、圆孔、倒角等特征进行了模型简化。另外，由于输出端的花键槽对整个仿真影响较小，且会影响模型的仿真精度，在模型建立时，也将该特征直接简化为圆柱结构。由此，建立了行星架的三维模型，如图1所示。

2.2 仿真模型建立

将建立的行星架三维模型导入ANSYS软件中，对其进行仿真模型建立。结合行星架用料情况，将其材料设置为45号钢[5]，其材料属性为：密度7 850 kg/m3；泊松比0.3；屈服极限355 MPa；弹性模量2.06 GPa；抗拉强度600 MPa。同时，采用六面体网格类型，对行星架进行了六面体网格划分，网格大小设置为10 mm，并对行星架上的通孔、轴端孔等进行了网格加密处理。在行星架边界条件约束中，将其输出轴端设置为旋转约束，并施加230 kN·m的输出扭矩；将其输入端添加50 kN·m的输入扭矩，并将输入端面进行全约束设置，通过施加重力，完成行星架仿真模型的建立，其加载后的仿真模型如图2所示。

图1 行星架三维模型

图2 行星架仿真模型

3 行星架结构特性分析

结合建立的行星架仿真模型，从结构的应力变化、结构位移变化方面，对其开展了结构性能的仿真分析研究。

3.1 应力变化分析

通过仿真分析，得到了行星架的应力变化云图，如图3所示。由图3可知，行星架整体出现应力分布不均匀现象，其中，行星架中部的四根支撑板、输出轴端腹板部位的应力最大，出现了较明显的应力集中现象，而行星架上其他部位的应力则相对较小，可忽略不计。分析其原因为：由于输出轴端腹板部位受到较大的扭矩作用，使其根部出现了应力集中；加上输入端与输出端运转过程中会产生相互挤压的作用力，导致其中部的四根支撑板成为主要受力部位，出现了较大的应力集中。这些部位的应力集中，使行星架在长期使用过程中，极容易出现结构的疲劳失效现象，影响着刮板输送机的使用安全。

图3 行星架应力变化云图

3.2 结构变形分析

通过仿真分析，得到了行星架的结构变形云图，如图4所示。由图4可知，行星架整体结构出现了较大的扭曲变形现象，其中，输出轴端腹板处的变形量最大，且出现了严重的波纹式折曲变形；同时，结构的变形从腹板向前后两端呈逐渐减小的变化趋势，输入端顶板几乎不发生变形，而行星架的四根支撑及输出轴端中部位置的结构变形量也相对较高，发生该现象的主要原因为行星架腹板受到较大的旋转扭矩作用，加上行星架自身结构存在一定的设计不合理，导致了整体结构发生了较大的变形。行星架在长期运转过程中，会首先在腹板部位发生结构变形故障，最终出现结构断裂，影响着行星架及刮板输送机的作业安全。因此，有必要对行星架进行结构优化改进。