矿用刮板输送机行星架静力结构和模态分析

王 堃

（长沟煤矿有限责任公司，山西 和顺 032700）

引言

行星架作为矿用刮板输送机减速器的重要组成部分，其不仅需要具有较高的强度与刚度，还需要在满足行星架基本功能的情况下，最大限度控制其体积和质量大小，并保障整体减速器结构的最优性。然而传统的计算方法难以实现行星架的有效检核分析，所以提出一种有限元分析方法，通过静力结构和模态分析两个角度来对矿用刮板输送机行星架进行检验分析，保证检验结果精准性的同时，降低行星架检验分析难度。

1 矿用刮板输送机减速器结构特点

矿用刮板输送机所采用的减速机构多为行星齿轮传动结构，此结构根据与刮板输送机溜槽的相对位置进行分类，可分为垂直安装行星齿轮传动结构和平行安装新型齿轮传动结构两种。其中垂直安装行星齿轮传动结构主要采用两级行星传动机构；平行安装行星齿轮传动结构则由两级主动轮、两级从动轮、太阳轮、行星轮等结构共同组成。在两类行星齿轮传动结构中，平行安装新型齿轮传动结构在综采工作面的应用更多。

2 矿用刮板输送机行星架模型构建

根据矿用刮板输送机行星架模型实际情况，通过Solidworks 三维建模软件对行星架进行三维建模，为降低后续计算机仿真模拟分析时计算压力，需要将行星架模型简化为圆柱体。然后将所构建出的三维模型导入到ANSYS 有限元软件中，合理设置材料及参数。在具体有限元分析中所采用的材料为QT900-8 材料，此种材料的密度、弹性模量、泊松比、拉伸屈服强度分别为7.09 g/cm3、169 GPa、0.305、600 MPa。最后为模型进行网格划分，最终划分出342 004 个节点和204 339 个单元，所构建出的网格划分模型如图1 所示。

图1 行星架网格划分模型

此外，在构建网络划分模型后，还需要对模型施加载荷及设定边界条件：首先，将行星架输入端的腹板设置为全约束，而行星架输出端的腹板则不设置约束。其次，对行星架输入端和输出端轴承安装区域配置有无滑动支撑约束。再次，为行星架输入端和输出端施加载荷，具体载荷条件设置为额定输出扭矩。最后，考虑到行星架在正常运行过程中会受到重力的影响，所以还需要为行星架设置重力加速度，以此为后续模态分析提供基础保障[1-2]。

3 矿用刮板输送机行星架有限元分析

3.1 静力结构

所谓静力结构分析，就是指忽略惯性、阻尼等影响因素，在静态载荷的作用下，整体结构系统处于静力平衡状态。由于静力结构分析过程中不考虑惯性和阻尼，所以结构系统的质量将不会对整体结构性能造成影响，可以有效获取理想结构性能分析结果，进而为结构设计提供重要参考。

由于具体有限元分析过程中采用整体式结构，所以此有限元方法具有以下优势：

1）可以满足公司的批量化生产；

2）整个行星架结构可采用球墨铸铁材料进行一体化铸造，降低制造难度的同时，还能够保障行星架整体结构性能的一致性；

3）整体式结构采用国际先进的等温淬火热处理工艺，可进一步提高行星架整体性能，满足矿用刮板输送机的实际运行需求；

4）整体式结构在加工定位时基准误差更小，可以保障定位基准的全面统一。

如图2 所示，矿用刮板输送机行星架的最大位移值为0.223 mm，其中最大位移点处于行星架输送段腹板区域。如图3 所示，矿用刮板输送机行星架的最大应力值为421.28 MPa，最大应力点同样位于行星架输送段腹板区域。同时，矿用刮板输送机行星架所采用的材料为QT90o-8，此种材料的拉伸屈服强度为600 MPa，而行星架的最大应力值仅为421.28 MPa，低于此数值，说明行星架所承受的应力值可以满足材料和结构需求。

图2 行星架等效位移云图

图3 行星架等效应力云图

3.2 模态分析

基于现有研究成果可知，模态分析具有以下几方面作用：

1）模态分析可以为设计时提供更为精准有效的结构系统固有频率、模态振型、模态刚度、模态阻尼以及模态质量的全面分析评估参考；

2）模态分析可用于有限元分析模型的修正指导，进而促使有限元分析模型得到进一步优化和改进；

3）通过模态试验可用于构建结构系统中某一构件的数学模型，并将此模型组合到整体结构系统中，保障结构系统的科学性；

4）模态分析可用于结构系统动力学分析，进而实现该结构系统的灵敏度以及计算反问题分析研究效果；

5）模态分析可用于实现构件的响应计算和载荷识别分析。

在完成行星架的静力结构分析后，可通过ANSYS 软件中的Workbench 模块来实现行星架的模态分析。具体分析过程中应先构建一个预应力模态分析系统，然后将静态结构分析中所获取的各类参数结构作为模态分析边界条件，导入到预应力模态分析系统中，进而获取模态分析系统所输出的前六阶固有频率，具体情况如图4 所示。

图4 行星架模态分析前六阶固有频率

同时，预应力模态分析系统还可以输出行星架的模态振型，具体情况如图5 所示。

图5 行星架模态第一阶振型

图5 中结果为行星架模态第一阶振型，其他阶振型结构获取过程与第一阶振型获取过程大致相同。通过行星架模态振型分析结果可知，行星架的模态振型主要表现为扭振，并且该扭振具体表现为轴向无扭振，断面存在扭振的特点。同时，根据模态振型分析结果可知，行星架所发生的扭振固有频率为762.62 Hz，此频率与其他传动构件以及刮板输送机正常工作频率存在较大差异，不会出现同频率共振情况。

4 矿用刮板输送机行星架模型的工程应用

本文针对传统计算方法难以实现行星架的有效检核分析这一问题，提出一种有限元分析方法，通过静力结构和模态分析两个角度来对矿用刮板输送机行星架进行检验分析。为能够进一步验证此种方法的有效性，在具体研究中还将此有限元分析方法应用于工程实践，具体分析过程中引入多种矿用刮板输送机的行星架作为具体模型优化参考依据，进而以此有限元分析方法对行星架模型进行优化完善，并将优化后的模型与现有模型进行匹配对比及有限元分析，最终检验优化后模型的有效性。根据实际工程实践结果来看，相对于现有矿用刮板输送机行星架来说，改进后的行星架具有更强的结构性能，并且其扭振固有频率与矿用刮板输送机的正常工作频率存在较大差异，不会存在同频率共振情况，进而更有利于保障矿用刮板输送机的正常使用，可以在后续设计中进行参考应用。

5 结语

本文针对传统计算方法中存在的行星架检核难度大等问题，提出一种有限元分析方法，为验证此种方法的有效性，将有限元分析方法应用于工程实践，最终发现相对于传统方法来说，有限元分析方法更有利于发现行星架中存在的各类不足，进而及时进行改进优化，保障行星架整体设计的有效性。具体来说，本研究共获得以下研究成果：

1）针对传统计算方法的不足，提出一种有限元分析方法。

2）基于有限元分析方法分别开展静力结构分析和模态分析，其中静力结构分析可有效发现行星架存在的结构性能等方面问题；模态分析可用于发现行星架存在的模态振型和固有频率，避免行星架在具体应用中的振型频率与刮板输送机其他结构运行频率保持一致，引发同频率共振情况。