采煤机截割减速器关键零部件承载性能分析

耿 峰

（晋能控股煤业集团同家梁矿技措队，山西 大同 037003）

引言

采煤机是进行煤炭自动化开采的重要设备，它在对煤层进行截割、落煤作业时，需要消耗较大的功率，并且在截割过程中，存在着与煤层之间的震动作用，容易造成采煤机截割部件的损坏[1]。在采煤机截割作业过程中，受到冲击作用最大的为截割减速器，由于减速器实现功率和扭矩的传递，煤层产生的振动作用会对减速器的齿轮及轴承造成冲击。截割减速器关键零部件的强度对于采煤机的使用寿命具有重要的影响，针对承受较大冲击作用的减速器进行承载性能的分析，从而提高采煤机的承载性能及使用寿命，保证采煤机的稳定高效运行[2]。

1 截割减速器分析模型的建立

采用有限元分析的形式对采煤机行星减速器进行承载性能分析，首先需建立减速器的模型。采用三维建模软件Pro/E建立行星减速器的结构模型，构建不同的齿轮及轴承等零件后进行装配作业，将其三维模型导入到ANSYSWorkbench中。对减速器不同零部件进行材质的设定，减速器的太阳轮、行星轮采用42CrMo，齿圈采用40Cr，圆锥滚动轴承采用GCr15SiMn，设定相应的弹性模量、泊松比及材质密度[3]。

对行星减速器进行有限元网格的划分，对减速器的承载性能进行分析，采用多区域法对模型进行网格划分，在零件的各个连接接触位置进行网格的细化处理，对行星架及销轴进行自动网格划分[4]，得到行星减速器的网格模型如图1所示。

图1 行星减速器网格模型

对减速器模型进行表面接触的设定，由于行星减速器工作的复杂性，对行星轮轴承采用1个进行替代，从而减小计算量。太阳轮与行星轮之间设定为无摩擦的约束，外圈与行星轮之间设定为无摩擦的约束，轴承内圈与传动轴设定为绑定的约束，轴承外圈与行星轮之间设定为绑定的约束，行星架与行星轮各传动轴之间采用绑定的约束。太阳轮及减速器外壳进行固定约束，依据减速器的运行状态，设定相应的载荷扭矩，从而对减速器的承载性能进行分析[5]。

2 截割减速器承载性能的分析

2.1 截割减速器传动系统承载性能分析

对截割减速器进行有限元分析，对整体的传动系统的应力进行分析，得到如图2所示的传动系统应力分布图。从图2中可以看出，传动系统的应力主要分布在行星架和行星轮及太阳轮的啮合位置，最大应力位于行星架上，这是由于在行星减速器工作过程中，旋转扭矩作用于输出轴和滚筒之间的连接位置，此处受到的应力最大；行星架通过输出轴将扭矩传递给行星轮，行星轮与太阳轮之间进行啮合接触，在啮合位置处的受力面积较小，受到的应力作用较大。传动系统的最大应力值为142 MPa，小于结构钢的屈服极限252 MPa，满足强度要求[6]。对截割减速器的应变进行分析，在截割减速器的模型分析中，减速器的整体变形较小，从而保证了行星减速器运行的稳定。

图2 行星减速器传动系统应力（Pa）分布

2.2 截割减速器圆锥滚动轴承承载性能分析

在截割减速器的运行过程中，轴承作为关键的承载部件，其承载的性能对减速器的运行具有重要的影响。针对行星减速器的圆锥滚动轴承进行静力学分析，得到轴承的应力及应变分别如图3、图4所示。从图3、图4中可以看出，圆锥滚动轴承受到的最大应力为299 MPa，最大应力位于滚子的径向力作用的圆锥滚子处，且在此处相近的90°范围内滚子与轴承内圈发生的变形最大，而其他位置圆锥滚子的形变较小，这说明此时的轴承滚子呈半圈受载的状态。滚子与轴承的外圈应力最大的位置发生在圆锥的大端一头，此处具有明显的应力集中现象，这是由于滚子的大端较为尖锐，没有进行倒钝过渡，形成的圆锥滚子应力集中；圆锥滚动轴承的综合应力主要分布在圆锥轴承的主要承载区，应力分布呈现梯形分布的样式，存在着一定的应力集中现象。

图3 圆锥滚动轴承应力（Pa）分布

图4 圆锥滚动轴承应变（m/m）分布

3 结论

1）对其传动系统进行分析可知，在减速器运行过程中，行星架和行星轮与太阳轮的啮合位置处受到的应力作用较大，最大的应力作用发生在行星输出轴行星架的滚筒连接处，系统整体应力小于屈服极限，具有较大的安全余量，可以对机构进行一定优化。

2）对减速器的关键承载圆锥轴承进行分析，轴承的最大应力位于滚子的径向力作用的滚子位置，且发生较大的形变，圆锥轴承呈半圈受载的状态，在滚子的大头一端存在着应力集中的现象。

3）通过分析可知，行星减速器在煤岩的反力作用下，能够满足采煤机的运行需求，同时存在着一定的安全余量，可以对减速器的整体结构进行一定的优化，同时在个别位置存在着应力集中的现象，应对滚子的结构进行一定的圆角过渡处理，减少应力集中，从而提高减速器的整体性能，保证采煤机稳定运行。