耿 峰

（晉能控股煤業(yè)集團同家梁礦技措隊，山西 大同 037003）

引言

采煤機是進行煤炭自動化開采的重要設備，它在對煤層進行截割、落煤作業(yè)時，需要消耗較大的功率，并且在截割過程中，存在著與煤層之間的震動作用，容易造成采煤機截割部件的損壞[1]。在采煤機截割作業(yè)過程中，受到?jīng)_擊作用最大的為截割減速器，由于減速器實現(xiàn)功率和扭矩的傳遞，煤層產(chǎn)生的振動作用會對減速器的齒輪及軸承造成沖擊。截割減速器關(guān)鍵零部件的強度對于采煤機的使用壽命具有重要的影響，針對承受較大沖擊作用的減速器進行承載性能的分析，從而提高采煤機的承載性能及使用壽命，保證采煤機的穩(wěn)定高效運行[2]。

1 截割減速器分析模型的建立

采用有限元分析的形式對采煤機行星減速器進行承載性能分析，首先需建立減速器的模型。采用三維建模軟件Pro/E建立行星減速器的結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建不同的齒輪及軸承等零件后進行裝配作業(yè)，將其三維模型導入到ANSYSWorkbench中。對減速器不同零部件進行材質(zhì)的設定，減速器的太陽輪、行星輪采用42CrMo，齒圈采用40Cr，圓錐滾動軸承采用GCr15SiMn，設定相應的彈性模量、泊松比及材質(zhì)密度[3]。

對行星減速器進行有限元網(wǎng)格的劃分，對減速器的承載性能進行分析，采用多區(qū)域法對模型進行網(wǎng)格劃分，在零件的各個連接接觸位置進行網(wǎng)格的細化處理，對行星架及銷軸進行自動網(wǎng)格劃分[4]，得到行星減速器的網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 行星減速器網(wǎng)格模型

對減速器模型進行表面接觸的設定，由于行星減速器工作的復雜性，對行星輪軸承采用1個進行替代，從而減小計算量。太陽輪與行星輪之間設定為無摩擦的約束，外圈與行星輪之間設定為無摩擦的約束，軸承內(nèi)圈與傳動軸設定為綁定的約束，軸承外圈與行星輪之間設定為綁定的約束，行星架與行星輪各傳動軸之間采用綁定的約束。太陽輪及減速器外殼進行固定約束，依據(jù)減速器的運行狀態(tài)，設定相應的載荷扭矩，從而對減速器的承載性能進行分析[5]。

2 截割減速器承載性能的分析

2.1 截割減速器傳動系統(tǒng)承載性能分析

對截割減速器進行有限元分析，對整體的傳動系統(tǒng)的應力進行分析，得到如圖2所示的傳動系統(tǒng)應力分布圖。從圖2中可以看出，傳動系統(tǒng)的應力主要分布在行星架和行星輪及太陽輪的嚙合位置，最大應力位于行星架上，這是由于在行星減速器工作過程中，旋轉(zhuǎn)扭矩作用于輸出軸和滾筒之間的連接位置，此處受到的應力最大；行星架通過輸出軸將扭矩傳遞給行星輪，行星輪與太陽輪之間進行嚙合接觸，在嚙合位置處的受力面積較小，受到的應力作用較大。傳動系統(tǒng)的最大應力值為142 MPa，小于結(jié)構(gòu)鋼的屈服極限252 MPa，滿足強度要求[6]。對截割減速器的應變進行分析，在截割減速器的模型分析中，減速器的整體變形較小，從而保證了行星減速器運行的穩(wěn)定。

圖2 行星減速器傳動系統(tǒng)應力（Pa）分布

2.2 截割減速器圓錐滾動軸承承載性能分析

在截割減速器的運行過程中，軸承作為關(guān)鍵的承載部件，其承載的性能對減速器的運行具有重要的影響。針對行星減速器的圓錐滾動軸承進行靜力學分析，得到軸承的應力及應變分別如圖3、圖4所示。從圖3、圖4中可以看出，圓錐滾動軸承受到的最大應力為299 MPa，最大應力位于滾子的徑向力作用的圓錐滾子處，且在此處相近的90°范圍內(nèi)滾子與軸承內(nèi)圈發(fā)生的變形最大，而其他位置圓錐滾子的形變較小，這說明此時的軸承滾子呈半圈受載的狀態(tài)。滾子與軸承的外圈應力最大的位置發(fā)生在圓錐的大端一頭，此處具有明顯的應力集中現(xiàn)象，這是由于滾子的大端較為尖銳，沒有進行倒鈍過渡，形成的圓錐滾子應力集中；圓錐滾動軸承的綜合應力主要分布在圓錐軸承的主要承載區(qū)，應力分布呈現(xiàn)梯形分布的樣式，存在著一定的應力集中現(xiàn)象。

圖3 圓錐滾動軸承應力（Pa）分布

圖4 圓錐滾動軸承應變（m/m）分布

3 結(jié)論

1）對其傳動系統(tǒng)進行分析可知，在減速器運行過程中，行星架和行星輪與太陽輪的嚙合位置處受到的應力作用較大，最大的應力作用發(fā)生在行星輸出軸行星架的滾筒連接處，系統(tǒng)整體應力小于屈服極限，具有較大的安全余量，可以對機構(gòu)進行一定優(yōu)化。

2）對減速器的關(guān)鍵承載圓錐軸承進行分析，軸承的最大應力位于滾子的徑向力作用的滾子位置，且發(fā)生較大的形變，圓錐軸承呈半圈受載的狀態(tài)，在滾子的大頭一端存在著應力集中的現(xiàn)象。

3）通過分析可知，行星減速器在煤巖的反力作用下，能夠滿足采煤機的運行需求，同時存在著一定的安全余量，可以對減速器的整體結(jié)構(gòu)進行一定的優(yōu)化，同時在個別位置存在著應力集中的現(xiàn)象，應對滾子的結(jié)構(gòu)進行一定的圓角過渡處理，減少應力集中，從而提高減速器的整體性能，保證采煤機穩(wěn)定運行。