李继旺

（晋能控股煤业集团马道头煤业有限责任公司，山西 大同 037100）

引言

采煤机作为煤炭掘进工作必不可少的装置，其工作的可靠性直接关系着井下作业人员的安全和企业的经济效益，采煤机服役环境较为恶劣，其中截割滚筒作为其直接实现煤炭截割的关键部件，受力情况极为复杂[1-4]。行星架作为采煤机截割部的组成部分，是截割滚筒实现连续转动的基础，也是承受煤岩冲击力的关键部位，使用过程中经常出现行星架断裂故障[5-6]。因此针对某煤炭企业服役的采煤机截割滚筒行星架出现的断裂故障，借助ANSYS 仿真计算软件，开展截割滚筒行星架强度分析与改进工作具有重要意义。

1 滚筒采煤机结构及问题

企业服役的滚筒式采煤机结构组成如图1 所示，主要由中间箱、牵引部、行走部和截割部四部分组成。中间箱的作用是对采煤机进行集中控制；牵引部的作用是采煤机掘进过程中为其前行提供电力牵引，实现采煤机沿滑轨向前移动的目的；行走部主要完成牵引力的降速增扭工作，达到采煤机行走过程的无级变速；截割部作为采煤机的关键组成部件，通过旋转截割头实现煤层截割前进，完成落煤任务，截割部的动力来源于内部行星结构，受力多为变化载荷，行星架工作时既受较大静载，又受冲击载荷，使用过程中出现了退刀槽位置破坏问题。为了提高行星架结构的可靠性，有必要对破坏问题进行原因分析与改进工作。

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

查阅采煤机截割滚筒行星架的随机技术资料，结合现场实际测绘结果，运用Pro/E 三维软件建立了行星架的三维模型。为了避免后续模型导入ANSYS仿真计算软件时不出现错误，提高仿真计算效率，对三维模型进行了一定的简化，忽略了对强度分析结果影响不大的螺栓孔、倒圆角等特征。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

将行星架三维模型另存为.igs 格式之后导入ANSYS 仿真计算软件进行材料属性设置，行星架材料为42CrMo。具体的材料属性参数包括：弹性模量数值为206 GPa、泊松比数值为0.3、密度数值为7 850 kg/m3，屈服强度数值为630 MPa。完成上述参数设置之后即可进行网格结构的划分，运用的是自由划分网格方法，避免仿真计算中出现网格质量不佳的问题。

2.3 载荷与约束施加

根据采煤机实际工作情况，采集得到了截割滚筒行星架所受最大三向力的图谱，如图3 所示，X 方向最大载荷约为50 kN，Y 方向最大载荷接近0，Z 方向最大载荷约为25 kN，以行星架轴线为中心，进行上述最大工作载荷的施加。为了考虑行星架动载荷的影响，按照检测得到的最大工作载荷的1.2 倍进行仿真计算，以便提高仿真结果的准确性。

图3 行星架三向力检测结果

2.4 仿真结果

采煤机截割滚筒行星架ANSYS 仿真计算前处理工作已完成，可以启动软件自动求解器进行强度分析计算工作，完成仿真计算过程之后，提取行星架强度分析后处理模块中的等效应力分布云图，如图4 所示。

图4 滚筒行星架等效应力分布云图

由图4的采煤机截割滚筒行星架等效应力分布云图可以看出，行星架运行时的最大等效应力数值为610.25 MPa，出现在行星架的花键退刀槽位置，是行星架设计结构的薄弱环节。相较于采煤机截割滚筒行星架材料的屈服强度数值630 MPa，最大应力数值与其极为接近，可见行星架花键退刀槽位置存在较为严重的应力集中情况。结合实际工作中行星架退刀槽位置出现断裂故障的情况，可以确定故障出现的原因就是因为该位置存在应力集中，因此，为了避免断裂问题再次出现，提高行星架工作的可靠性，有必要开展结构优化改进工作。

3 改进设计

3.1 改进方案

查阅相关结构件退刀槽位置应力集中问题的改进方法，结合多年的工作经验，给出如下可以采取的改进措施：一是用力学性能更优的材料制备行星架，提高行星架整体强度；二是对行星架热处理工艺进行优化探索，以便充分发挥现在42CrMo 材料的强度；三是优化行星架本身的结构尺寸，包括孔洞的布置、倒角、圆角尺寸；四是优化行星架退刀槽位置的局部结构尺寸，降低行星架退刀槽位置的最大应力数值。综合考虑行星架的实际应用情况及改进的难易程度，选择第四种方法为宜，即适当减小退刀槽的深度，在原来基础上减小0.3 mm。

3.2 改进效果

拟定行星架应力集中改进措施之后重新修改行星架三维模型，再次导入ANSYS 仿真计算软件进行材料属性、网格划分、载荷施加等工作，要求与改进之前相一致。处理完成之后启动求解器进行改进行星架强度分析，提取行星架仿真计算结果中的等效应力分布云图，如图5 所示。

图5 改进滚筒行星架应力分布云图

由图5 改进滚筒行星架应力分布云图可以看出，改进之后的滚筒行星架退刀槽位置依然存在应力集中情况，最大应力值为568.46 MPa，相较于改进之前，行星架工作时的最大应力数值降低了41.79 MPa，相较于行星架材料的屈服强度数值630 MPa，改进之后行星架的安全系数为1.108，存在61.54 MPa，足以满足采煤机截割滚筒行星架可靠运行的要求，改进取得了成效。

4 应用效果评价

为了验证仿真计算完成采煤机截割滚筒行星架改进的合理性，以改进之后行星架的结构模型绘制工程图纸进行零件的加工。将改进行星架应用于采煤机截割滚筒进行试验，对其进行为期4 个月的跟踪记录，结果表明，改进行星架运行稳定可靠，仿真计算结果合理准确。统计结果显示，改进行星架的应用，提高了滚筒工作的可靠性和寿命，降低了采煤机近5%的故障修复时间，节约了采煤机的运行维护人员及成本，提高了综采工作面采煤设备近3%的有效工作时间，减少了煤炭掘进成本，预计为煤炭企业新增经济效益近60 万元/年，取得了很好的应用效果。

5 结论

行星架作为采煤机截割滚筒正常工作的重要部件，其工作可靠性要求较高。针对某煤炭企业服役的采煤机截割滚筒行星架出现的断裂故障，借助ANSYS 仿真计算软件，开展截割滚筒行星架强度分析工作，结果表明，行星架退刀槽位置存在应力集中是出现断裂故障的主要原因。通过将行星架退刀槽深度减小0.3 mm，改善了行星架应力集中情况。应用结果表明，改进行星架后运行稳定可靠，提高了滚筒工作的可靠性和寿命，降低了采煤机近5%的故障修复时间，节约了采煤机的运行维护人员及成本，提高了综采工作面采煤设备近3%的有效工作时间，减少了煤炭掘进成本，为煤炭企业新增经济效益近60 万元/年。