王瑞卿
(山西大同永定莊煤業(yè)公司, 山西 大同 037024)
礦用絞車作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備,由于其操作方便、作業(yè)效率高,已成為煤礦開采中不可或缺的重要設(shè)備[1]。由于井下環(huán)境的惡劣性,礦井中經(jīng)常會有煤石掉落沖擊絞車設(shè)備,加上絞車的長負(fù)荷和超長時(shí)間的提升作業(yè),使得絞車經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、局部開裂、磨損嚴(yán)重、控制誤操作等失效現(xiàn)象,其中設(shè)備中的二級行星架關(guān)鍵部件出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)失效問題尤為突出[2]。
據(jù)統(tǒng)計(jì),2006 年,湖南湘中煤礦井因絞車閘皮老化和行星架結(jié)構(gòu)變形失效,造成了1 人死亡3 人重傷;2013 年,甘肅長征煤礦由于絞車二級行星架軸套磨損嚴(yán)重,導(dǎo)致了1 人卷入絞車而死亡對絞車中二級行星架進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究,成為提升絞車作業(yè)效率的重要舉措。因此,對絞車中二級行星架進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究,成為提升絞車作業(yè)效率的重要舉措[3]。以JD-1 絞車中二級行星架為分析對象,開展了基于ANSYS 的二級行星架結(jié)構(gòu)性能研究分析,并提出了行星架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施。這對提升行星機(jī)架的使用壽命,保障設(shè)備的高效運(yùn)行具有重要意義。
礦用絞車是礦井提升系統(tǒng)中的動力裝置,負(fù)責(zé)給礦井中貨物運(yùn)輸、人員升降、關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)輸提供足夠的運(yùn)輸動力。目前,市場上應(yīng)用提升絞車、回柱絞車、運(yùn)輸絞車、調(diào)度絞車等較多,其中,又以運(yùn)輸絞車、調(diào)度絞車應(yīng)用較為廣泛。礦用絞車的結(jié)構(gòu)組成基本相同,主要包括電動機(jī)、滾筒、離合閘、制動閘、閘皮、二級行星架、鋼絲繩、變速箱等部件[4],其結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示,而大部分絞車均具有一定的抗爆性。整個(gè)絞車的簡單工作原理為:首先通過交流電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),將動力通過聯(lián)軸器傳遞至圓錐齒輪上;其次齒輪嚙合過程中,可根據(jù)現(xiàn)場工況的不同使用需求,通過變速箱進(jìn)行高速檔和低速擋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié);最后在圓柱齒輪上進(jìn)行匯總并通過輸出軸進(jìn)行動力輸出,經(jīng)過帶動鋼絲繩作用,實(shí)現(xiàn)對貨物或人員的上下升降作用[5],其作業(yè)原理圖如圖2 所示。
由于JD-1 絞車為煤礦開采中常用的調(diào)度絞車,為掌握其設(shè)備中二級行星架在使用中的結(jié)構(gòu)性能情況,采用了Proe 軟件,對其進(jìn)行了三維模型建立。在建模中,主要對行星架上的較小圓角、倒角、圓孔等非關(guān)鍵特征進(jìn)行了模型簡化,僅保留了行星架的關(guān)鍵特征,最終按照1∶1 的模型比例,完成了二級行星架的三維模型建立,如圖3 所示。
圖1 絞車結(jié)構(gòu)組成圖
圖2 絞車動力傳遞原理圖
圖3 二級行星架三維模型圖
在完成行星架的三維模型建立后,將其ANSYS軟件中,對其進(jìn)行仿真模型建立。在該軟件中,首先對其進(jìn)行布爾網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格單元采用了solid 實(shí)體單元,網(wǎng)格類型為六面體,網(wǎng)格大小設(shè)置為12 mm,如圖4 所示。同時(shí),由于行星架在實(shí)際使用中采用的是Q235 材料,故在軟件中,將其材料設(shè)置為了Q235,屈服強(qiáng)度為235 MPa[6],材料的主要參數(shù)如表1 所示。另外,根據(jù)行星架的實(shí)際安裝特點(diǎn),將其左板進(jìn)行了固定約束,對右板及階梯軸進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)約束,以使其符合實(shí)際工況條件。通過設(shè)置防止時(shí)間及其他參數(shù),完成了行星架的仿真模型建立。
圖4 二級行星架網(wǎng)格劃分圖
表1 Q235 材料主要參數(shù)
圖5 為二級行星架的應(yīng)力變化圖。通過分析可知,行星架整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布相對不均勻,整體出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大應(yīng)力集中出現(xiàn)在行星架左板及延伸止口上,應(yīng)力值達(dá)到了273.27 MPa,超過了其材料的23 MPa 屈服強(qiáng)度,且在左右板之間的支撐筋板也出現(xiàn)了相對較大的應(yīng)力集中,其值達(dá)到了223.5 MPa;而右板及右端階梯軸上的應(yīng)力值則相對較低。分析其原因?yàn)樾行羌茏蟀逵捎谥苯优c絞車機(jī)架進(jìn)行連接,故在其作業(yè)時(shí)受到了來自機(jī)架的較大扭轉(zhuǎn)作用力作用,扭轉(zhuǎn)載荷率先傳遞至行星架左板上,并逐步通過中間支撐筋板傳遞至右板。導(dǎo)致行星架出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由此可知,行星架左板及延伸止口成為整個(gè)結(jié)構(gòu)中的薄弱部位,在使用中極容易率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象,需重要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。
圖5 二級行星架應(yīng)力變化圖
圖6 為二級行星架的位移變化圖。由圖可知,行星架整體結(jié)構(gòu)的位移出現(xiàn)了分布不均勻現(xiàn)象,其中,行星架上的最大變形位移為0.057 mm,出現(xiàn)在右板的上下兩端,行星架的左板及右端階梯軸上位移變化則相對較小,沿著階梯軸右端,位移變化也呈現(xiàn)逐漸較小的變化趨勢;另外,行星架中間軸孔及四周的結(jié)構(gòu)變形相對較小。分析其原因?yàn)椋河捎谛行羌茏蠖酥苯优c轎車機(jī)架進(jìn)行固定連接,故其左板的變形值則相對較小,而行星架左端承受的作用力傳遞至右板上后,導(dǎo)致該部位出現(xiàn)了較大的結(jié)構(gòu)變形。由此可知,行星架的右板為整個(gè)結(jié)構(gòu)中率先發(fā)生結(jié)構(gòu)變形的部位,需重點(diǎn)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。
圖6 二級行星架位移變化圖
結(jié)合前文分析可知,二級行星架的左板及延伸止口在長時(shí)間超負(fù)荷作業(yè)時(shí)極容易率先出現(xiàn)開裂或斷裂的疲勞失效現(xiàn)象,而右板則更容易率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形風(fēng)險(xiǎn)。為提高絞車的作業(yè)效率,降低其故障發(fā)生風(fēng)險(xiǎn),有必要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì),具體如下:
1)將二級行星架的材料改為Q345 材料,使得其材料的屈服強(qiáng)度值提升至345 MPa,以保證行星架在使用過程中具有更好的結(jié)構(gòu)性能;
2)增加行星架上左板和右板的厚度2 mm,并將中部的支撐筋板厚度也增加2 mm,以增加行星架的整體承載能力和抗扭矩變形能力;
3)在行星機(jī)左板的應(yīng)力集中附近開設(shè)直徑為1 mm 左右的通孔,在保證不影響其結(jié)構(gòu)性能基礎(chǔ)上,使得所產(chǎn)生的集中應(yīng)力轉(zhuǎn)移至此圓孔處,緩解行星架上的應(yīng)力集中現(xiàn)象;
4)由于行星架經(jīng)常處于受力狀態(tài),故在其加工之后,需對其進(jìn)行調(diào)質(zhì)、淬火等熱處理,以提升行星架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度;
5)定期對行星架進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng),發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形嚴(yán)重、開裂等故障問題時(shí),需立即停機(jī),對行星架進(jìn)行維修或部件更換,以保證絞車的安全運(yùn)行。
結(jié)合JD-1 絞車二級行星架特點(diǎn),利用ANSYS軟件,對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能研究,得出行星架的左板及延伸止口為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位,找到其結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律,提出了行星架優(yōu)化改進(jìn)的措施,這對進(jìn)一步開展二級行星架的使用壽命、保證絞車的作業(yè)安全意義重大。