采煤机行星机构研究及展望

靳予记 刘若兰

摘要： 本文综述了国内外采煤机行星机构的研究现状，对影响行星机构的可靠性的主要因素进行了介绍，分析了影响因素与行星机构寿命之间的关系，简述了采煤机行星机构可靠性及优化方法，同时对采煤机行星机构的发展趋势及其进一步研究的几个方面进行了展望。

Abstract： This paper summarizes the research status of shearer planetary mechanism at home and abroad. The main factors affecting the reliability of planetary institutions are introduced.The relationship between the influencing factors and the life of planetary mechanism is analyzed， The reliability and optimization method of shearer planetary mechanism are described. At the same time， the development trend of shearer planetary mechanism and several aspects of further research are prospected.

关键词： 行星机构;可靠性;优化方法

Key words： planetary mechanism;reliability;optimization method

中图分类号：TD421.6                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0159-03

0  引言

如何提高采掘机械的工作效率及其可靠性大小，随着科学技术水平的发展变得更加迫切、重要。行星减速传动系统作为工业生产中重要且不可缺少关键部位，具有结构尺寸小，输出扭矩大，速比大、效率高、性能安全可靠等特点[1-2]，对提高采掘机械的工作效率占据着不可替代地位。因此，提高行星传动系统的可靠性对机械设备的生产、效率的提高都具有重大意义。可靠性作为一个抽象研究课题，它的研究理论、方法是十分复杂多样的，狭义上讲可靠性是产品在工作的过程中无故障发生的性质，广义上是客户对产品的满意程度。

1  关于行星减速传动系统可靠性研究

1.1 可靠性研究及发展  目前人类对于可靠性规律及其可靠性优化问题的研究开拓出新的领域，在20世纪初期，数理统计学在可靠性领域得到快速发展，其间工程实践中应用了极限理论、事件疲劳、维修概率等相关知识[3]。对可靠性基础理论开始进行探究的标志是20世纪初的学者将概率论与数理统计运用到了机构的安全性分析上;在接下来的一段时间内，各个国家专家、学者使用随机变量的均值和方差、统计数学等数学理论对机构可靠性进行研究;Shewhart第一次将可靠性技术与质量检测技术相结合，使检测效率得到较大提高;在20世纪中期，可靠性已经成为了一项独立学科并得到了快速的发展，其应用与多个学科有着紧密的联系，同时可靠性研究领域已经从高精尖行业（航空、电子等）开始往机械、电器、建筑等相关行业进行发展。C.A.Cornell建立模型计算可靠度使用一次二阶方法求解结构的方法，在传统的计算方法做出了突破。

20世纪末期，可靠性的发展已经趋向现代化，也使可靠性的研究从单一学科进入了多个学科交叉研究，其标志为CAD、人工智能等与可靠性分析的相结合;《可靠性与维修性》中结合了可靠性与其他相关技术;也出现不少学者认为可靠度是一个区间而不是一个具体数值，提出了可靠性区间变量的概念;Ben-Haim发表了稳健性理论。

21 世纪，可靠性得到了全面的进步，不间断地完备与发展可靠性的基础理论知识和相关的标准体系，使可靠性与相关体系研究在各个领域研究中取得了快速发展。Ghodrati B， Kumar U、Khodayar M E、Barati M、Shahidehpour M运用可靠性分配系统对微型电网进行了研究。随着可靠性理论的不断进步，可靠性理论分出了三大关键分支，各个分支的主要研究方法和作用如表1。

1.2 行星传动系统可靠性数学模型方法研究  近年，数学统计学迅速发展发展为可靠性问题研究开展新的领域。开展对行星减速机构可靠性研究对提供工业机械生产效率，提高其在工作过程中的使用寿命具有重要意义。可靠性研究主要的数学统计学理论有：模糊可靠性理论、蒙特卡洛、正态分布、维修概率等。针对数学领域对可靠性研究国内外学者对此做了大量的研究和探索。2005年，辽宁工程技术大学刘畅以采煤机MG575-W为研究对象，运用故障树之间的逻辑关系研究牵引部的液压传动系统，采用Monter-Carlo理论关系对其进行计算机的仿真，获得其系统的可靠性的薄弱环节是主油泵，对主油泵建立故障樹，进行模糊分析，获得油液污染是主油泵发生故障的主要原因，由此可以提出其可靠性的改良方案，最后提出模糊故障树是可以看出故障原因、征兆、诊断矩阵等一系列用来研究系统可靠性一种可行性及创新的办法;2010年，东北大学金雅娟等为了研究陶瓷刀具寿命进行可靠性分析，通过应力-强度干涉理论建立氧化铝陶瓷刀具磨损来研究寿命的极限状态方程，其次把鞍点逼近法运用到其寿命可靠性分析之中，获得其极限方程状态下累计分布函数图像和概率密度函数图像，最后将鞍点逼近法得到的分析结构和Monter-Carlo方法来研究可靠性的方法进行对比，得到鞍点逼近得到的结果具有精度高、计算简单、收敛速度快等优点;2015年，东北大学的周笛等对采煤机牵引部传动系统进行了动态模型的可靠性分析，以鞍点逼近法为依托建立动力学整体结构模型，在各种不同工况下对牵引部传动系统进行了振动响应分析，获得在牵引部的不同位置动态接触应力曲线并对其可靠性进行分析，得到牵引部首次运转情况下是安全的，运转前期可靠性降低的速度相对较快，在工作的后期可靠性降低的速度比较慢。

1.3 行星传动系统可靠性数值仿真研究  由于数值仿真技术的迅速发展，已经渗透于航天、机械、工业等各个领域，其给可靠性研究提供新的可能。可靠性的三个要素是：耐久性、可维修性、设计可靠性。耐久性即是产品的使用寿命;可维修性即是在工作的过程中出现故障可以很容易的维修和检查;设计可靠性即在生产过程中充分考虑产品的易使用性和易操作性。2011年，辽宁工程技术大学的赵丽娟等以采煤机截割部传动系统中二级传动零件行星架为研究对象，首先对采煤机截割部建立刚柔耦合模型基于ANSYS、ADAMS、Nfot进行协同仿真，获得行星架的疲劳损伤点即行星架花键处是强度薄弱点，并通过改变其渐开线出花键的尺寸大小应用APDL语言和ANSYS命令流进行优化解决了强度不足的问题;2016年，辽宁工程技术大学赵丽娟、李明昊等以摇臂系统的齿轮为研究对象，建立采煤机摇臂刚柔耦合虚拟样机VP模型计算其温度载荷，并运用ANSYS软件对多场耦合下的齿轮副分析，由裂纹后的齿轮模型，运用FRANC3D对裂纹进行数值模拟得到疲劳寿命，获得齿轮可靠度退化量和裂纹退化量成正比，并提出将断裂力学、虚拟样机多场耦合技术相结合是机械零件可靠度退化研究新方法。

2  行星传动系统可靠性问题及优化

行星传动系统的主要组成：行星架、齿轮、内齿圈。作為机械设备中重要的传动部件，一旦在工作过程中出现将给工业生产带来巨大的危害。因此，分析其故障原因、优化方法以提高行星传动系统的可靠性以及延长其工作过程中使用寿命具有至关重要意义。

2.1 行星传动系统可靠性分析方法  可靠性预测方法主要有：应力分析预计法、元器件计数法、上下限法、蒙特卡洛法。在此研究行星传动系统中主要采用的是应力分析预计法、蒙特卡洛法。应力分析预计法：通过对机械零件或构件通过仿真软件进行分析求解应力和应力分布的方法，由此得到应力集中位置、峰值及其应变获得疲劳损伤点即可靠性薄弱位置。对此常采用解析法、数值法、实验法判定应力大小及其分布受到载荷、温度、零件材料性质、尺寸、形状的影响状况。解析法：在考虑力平衡、变形连续的问题上建立力、变形、温度等物理关系及变量间关系方程。由能量关系及所研究问题实质建立混合泛函，严格运用数学运算，简单则得到精确解，倘若复杂则由尺寸、载荷对结构进行简化求其近似解。数值法是问题离散点函数值数值解，有限差分法、有限元法是其研究的主要手段。有限差分方程是由基本方程、边界条件转化而来，考虑力学问题获得方程组，最后利用电子计算机调节步长获得精确解。连续体离散成有限单元是有限元法的主要手段，具有灵活性、通用性，对复杂形状、边界条件、材料、载荷加以考虑，运用计算机急性计算。蒙特卡洛法是以随机变量为理论的统计模拟法，利用随机数来解决计算问题。此法主要包括三个步骤：构造概率过程即随机问题或转化成的随机问题描述出来，某些参量即是所求问题;概率分布是由概率模型构成，概率分布的随机变量就是蒙特卡洛研究的基本手段，称为随机抽样。得到具有矩形分布的相对独立的随机变数序列，是蒙特卡洛模拟的基本工具;构造概率模型并抽样后，迭代计算之后确定一个随机变量解决所需问题称为无偏估计，建立估计量解决可靠性问题。

2.2 行星传动系统失效形式  行星架作为行星减速机构中承受扭矩的重要部件，影响着齿轮传动中载荷大小的分配，根据其所承受应力及位移大小，判定其可靠性对行星机构的正常持久工作十分必要。行星架受会发生较大变形，花键轴与腹板相交处产生应力集中，花键退刀槽受力超出许用应力等现象，因此在工作的过程中容易出现裂纹、变形、疲劳破坏等一系列结构问题。内齿圈在行星传动系统中，与行星架同一轴线的内齿轮。内齿圈、太阳轮、行星轮共同组成齿轮传递机构。太阳轮所受的啮合力最大发生在齿根处，齿轮传动的故障形式：齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑形变形、弯曲疲劳与断齿、齿面磨损。

2.3 行星传动系统的优化方法  针对行星传动系统可靠性问题，常采用一种是行星架进行增大过渡圆角、加厚侧板等;对齿轮进行齿顶修缘、齿廓修形和齿根修形进行结构改进。另外一种是对行星传动系统各个零部件的运动参数、结构参数进行优化，进而得到优化后可靠度高的行星传动系统。结构优化包括尺寸优化、形状优化、拓扑优化对行星架进行修正，其中拓扑优化占据着重要地位。拓扑优化是指一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法。主要包括两个领域，其中连续拓扑优化包括：均匀化、变密度、渐进结构优化、水平集;另外一个是离散结构拓扑优化即在结构的基础上采用不同的优化算法进行求解，最常用的是基于遗传算法的拓扑优化。拓扑优化离不开有限元的参与，即以材料为研究对象，把其离散成各个单元，依据数学领域中算法把握每个单元，直到找到最佳方案。因此，行星减速传动系统运用有限元进行拓扑优化以提高其可靠性是主要方法。协同仿真通过改变行星传动系统的运动参数实现优化。协同仿真是利用商用仿真软件获得所需仿真结果，比较模型进行验证分析，适用于比较复杂的动态系统中，即适用于行星减速传动系统。主要方法有两种：接口的协同仿真和HLA的协同仿真。动态可靠性分析将是行星传动系统的发展趋势，离不开动力学理论、齿轮啮合、软件耦合，协同仿真的参与，将各个理论和动力学软件相结合将使行星系统可靠性研究更加准确化、精确化。

3  结论

行星传动系统广泛应用于机械、航空、医疗器械等领域，对工业生产的效率和经济性起着至关重要的作用。具有承载能力强、体积小等优点，但是其可靠性是最难把握和研究的，目前专家学者对其的研究已经相对成熟，本文综述了行星传动系统可靠性研究现状、可靠性研究预测方法、行星传动系统可靠性薄弱位置以及可靠性优化方法。但是行星传动系统仍然是研究的重点、难点，可靠性研究更是复杂、需要加强其研究力度，还该对以下方面进行研究、改进：

①行星传动系统工作的过程中会受到振动、噪声、温度、光学的影响，进而影响其可靠性及其寿命大小，对照其影响因素设计出传感器、专家检测盒对其进行控制和测试其工作过程中的综合性能及各个零部件的应力大小进而预测其可靠性。

②行星传动系统中各个零部件所需新材料的开发，齿轮磨损问题、故障诊断技术、应力测试技术等研究也应该作为可靠性研究的重要方向。

③学者们对一级、二级行星传动系统已经做了充足的研究，并提供大量参考依据行星系统多级、复合传动动态可靠性分析将是研究的可能方向。

参考文献：

[1]张欣，张枢.薄煤层采煤机的发展状况及趋势[J].煤矿机械，2002（6）：7-8.

[2]马联伟.薄煤层采煤机可靠性与疲劳寿命研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2011.

[3]王志刚，戴柏林.可靠性技术的发展与应用[M].北京：机械工业出版社，2010.