采煤机摇臂传动系统关键部位有限元分析

陈文伟

(山西大同大学，山西 大同 037003)

0 引言

采煤机为综采工作面的关键设备，对于煤层结构复杂的工作面而言，对采煤机各个分系统的性能和可靠性提出了更高的要求。摇臂作为控制采煤机滚筒截割高度的部件，其传动系统内部齿轮的故障数占采煤机总故障数的60%左右[1]。因此，需从理论和实践中掌握采煤机摇臂传动系统的适应性和可靠性，研究齿轮传动系统的振动规律。为此本文以MG900/2400采煤机为例，对采煤机摇臂传动系统的关键部位进行有限元分析。

1 MG900/2400采煤机摇臂传动系统

MG900/2400双滚筒采煤机主要包括电机、摇臂、截割部、行走部以及辅助装置等。其中摇臂是采煤机的关键部件，主要完成工作面落煤、装煤和输煤的任务。摇臂系统的性能在一定程度上决定采煤机的截割效率，并且是降低采煤机能耗的关键部件[2]。基于摇臂传动系统实现采煤机滚筒根据工作面煤层变化情况对截割高度和截割深度的实时控制，可在保证采煤机截割率的同时提升采煤机的自适应截割特性。摇臂传动系统将电机的动力通过多组轴组件传递至行星机构，满足采煤机的调高要求以适应工作面煤层，因此，要求摇臂传动系统具有良好的润滑、散热性能以及高的传动效率。

2 摇臂传动系统模型的建立

2.1 零部件模型的建立

搭建摇臂传动系统的模型，首先需根据采煤机实际参数完成各级齿轮、摇臂壳体、行星架以及轴系等部件模型的搭建，并根据各部件的相互关系完成装配，最终完成摇臂传动系统模型的搭建。本文着重对摇臂传动系统中的各级齿轮及摇臂壳体进行有限元分析[3]，因此，齿轮模型的正确性尤为重要。摇臂传动系统包括定轴齿轮、一级齿轮和二级齿轮，建立齿轮模型所需的参数如表1所示。

表1 摇臂传动系统齿轮参数

2.2 摇臂传动系统模型的装配

摇臂传动系统模型整体装配前还需完成复合行星齿轮以及轴系部件的装配。其中，复合行星齿轮包括太阳轮、内齿圈以及行星轮[4]。轴系部件装配过程中尤其需注意齿轮内孔与轴心线是否对齐、齿轮端面与轴肩是否对齐以及齿轮内孔键槽与轴上的键槽是否对齐，并且完成装配后还需基于Pro/E的功能对模型进行干涉检查。

基于Pro/E所搭建的摇臂传动系统三维模型如图1所示。

图1 摇臂传动系统三维模型

3 摇臂传动系统关键部件有限元分析

将Pro/E所搭建的三维模型导入ANSYS软件中，根据摇臂传动系统中各零部件及分系统之间的关系为摇臂传动系统三维模型添加相关约束(旋转副和固定副)。MG900/2400采煤机截割系统电机的额定功率为900 kW，额定转速为1 487 r/min，在实际截割过程中，摇臂滚筒所承受的平均负载扭矩为267 240 000 N·mm。采煤机摇臂系统有限元仿真分析时设定的驱动和负载曲线如图2所示。

图2 摇臂传动系统模型驱动及负载曲线

3.1 齿轮的有限元分析

MG900/2400采煤机摇臂传动系统齿轮材料为18Cr2Ni4WA，属于渗碳钢，其密度为7 800 kg/m3，弹性模量为202 GPa，泊松比为0.3。将上述参数在有限元模型中完成设置，并对复合行星齿轮进行网格划分后，开始摇臂传动系统齿轮的有限元分析，分别对一级行星齿轮和二级行星齿轮中各个齿轮的应力值进行仿真分析。得到的仿真结果如下：

(1)在两个复合行星传动系统中，太阳轮所承受的应力值大于行星轮所承受的应力值，从而导致在实际应用中太阳轮的故障率高于行星轮。

(2)在齿轮相互啮合的区域，最大应力值位于齿轮的节圆处和齿根圆处。

(3)一级复合行星齿轮中的最大应力值为330 MPa，位于太阳轮的节圆处；二级复合行星齿轮中的最大应力值为275 MPa，同样位于太阳轮的节圆处。两级行星齿轮的最大应力值均远小于材料的屈服极限835 MPa，两级行星齿轮的可靠性和安全系数极高。

3.2 摇臂壳体的有限元分析

采煤机在实际截割时，由于工作面煤层负载的变化使得滚筒所承受的载荷不断变化，与滚筒对应摇臂所承受的载荷也属于交变状态，从而影响摇臂的振动，最终摇臂将壳体上的振动传递至截割电机[5]。为验证摇臂传动系统的可靠性，利用ANSYS对摇臂壳体进行模态分析。

摇臂壳体的材料为30CrNiMo，根据材料属性完成模型中的参数设置，并完成对摇臂壳体的网格划分。针对采煤机摇臂壳体的模态分析，所模拟的工况为：保证滚筒截割高度不变，调节液压油缸，实现对同一高度煤层的开采。根据上述工况，完成摇臂壳体的约束设置，并对51 Hz、67 Hz、132 Hz、172 Hz、192 Hz、235 Hz六种频率下的模态进行分析，得到的仿真结果如下：1阶、2阶、3阶、4阶以及5阶模态的最大振幅位于摇臂壳体的行星头部，6阶模态的最大振幅位于行星头部和摇臂的电机位置；不同模态振型摇臂壳体头部所摆动的区域不同，所围绕的轴也不同，振型摆动情况如表2所示。

表2 各阶模态振型摆动情况

综上所述，采煤机摇臂壳体的最大变形位置在行星头、截割电机以及摇臂的中间位置。

4 结语

采煤机为综采工作面的关键设备，其摇臂传动系统能够根据工作面煤层的变化情况对滚筒截割高度和截割深度进行实时调整。为保证摇臂传动系统运行的可靠性和稳定性，本文对摇臂传动系统的齿轮和摇臂壳体进行了有限元分析，得到如下结论：

(1)摇臂传动系统中承受最大应力的齿轮为两级行星齿轮轮系中的太阳轮，且一级行星齿轮中太阳轮的应力值大于二级行星齿轮中太阳轮的应力值。

(2)在实际截割过程中，最大变形位置在行星头、截割电机以及摇臂的中间位置。