基于应力-强度干涉理论的采煤机截割部关键零件可靠性分析.pdf

第4 4 卷第3 期 2 0 1 9 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V o l l 4 4N o ．3 M I l l “ ．2 0 1 9 移动阅读 刘旭南，赵丽娟，黄凯，等．基于应力一强度干涉理论的采煤机截割部关键零件可靠性分析[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 9 ， 4 4 3 9 6 4 9 7 2 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 8 ．0 5 0 5 L I UX u n a n ，Z H A OL i j u a n ，H U A N GK a i ，e ta 1 ．R e l i a b i l i t ya n a l y s i so nt h ek e yp a r t so ft h ec u t t i n gu n i to fs h e a r e rb a s e d o ns t r e s s s t r e n g t hi n t e r f e r e n c et h e o r y [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 1 9 ，4 4 3 9 6 4 9 7 2 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ． c n k i ．j C C S ．2 0 1 8 ．0 5 0 5 基于应力一强度干涉理论的采煤机截割部关键零件 可靠性分析 刘旭南1 ，赵丽娟1 ，黄凯2 ，罗贵恒1 1 ．辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 ；2 ．昆山佰奥智能装备股份有限公司，江苏昆山2 1 5 3 1 1 摘要随着中厚煤层不断开采完毕，薄煤层开采比重将不断加大，其安全、高效开采日显重要，但 由于开采空间有限、条件恶劣，采煤机易出现设计结构不合理、工作状态不稳定、可靠性差等问题。 以M G 2 木1 0 0 ／4 5 5 一B W D 新型薄煤层采煤机截割部为工程对象，采用P r o ／E ，A N S Y S ，A D A M S 建立 了该采煤机的刚柔耦合虚拟样机模型，基于破煤理论建立了采煤机螺旋滚筒的力学模型，通过 M A T L A B 编制了相关程序解决了刚柔耦合虚拟样机模型载荷添加的问题；通过虚拟仿真获取了关 键零件输出轴、壳体、行星架的V o nM i s e s 应力分布及最大应力节点应力值的时域信息，以3 0 组不 同牵引速度仿真模型的仿真结果建立了各关键零件的最大应力分布函数；以应力一强度干涉可靠 性理论为基础，结合各关键零件的最大应力分布函数及所用材料强度分布函数，在考虑载荷作用次 数情况下，建立各关键零件在随机载荷多次作用下的可靠度计算模型。经分析计算得到输出轴、行 星架、壳体的可靠度分别为0 ．9 7 8 ，0 ．5 3 6 及0 ．6 1 4 ，研究发现行星架与壳体存在应力集中现象，应 力最大位置分别位于行星架腹板与花键轴相交处及壳体惰轮轴孔后侧与行星减速器承载部分相交 处。在对薄弱零件改进后，行星架、壳体的可靠度分别达到0 ．9 6 90 和0 ．9 9 74 ，满足使用要求。该 方法可有效缩短产品设计周期，提高采煤机关键零件的设计质量及可靠性。 关键词应力一强度干涉理论；截割部；采煤机；可靠性 中图分类号T D 4 2 1 ．6文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 9 0 3 0 9 6 4 0 9 R e l i a b i l i t ya n a l y s i so nt h ek e yp a r t so ft h ec u t t i n gu n i to fs h e a r e rb a s e do n s t r e s s - s t r e n g t hi n t e r f e r e n c et h e o r y L I UX u n a n l ，Z H A OL i j u a n l ，H U A N GK a i 2 ，L U OG u i h e n 9 1 1 ，C o l l e g eo f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n 1 2 3 0 0 0 ，C h i n a ；2 ．K u n s h a nr o p aI n t e l l i g e n t 国“扣瑚倒C o ．，L t d ．，K u n s h a n 2 1 5 3 1 1 ，C h i n a A b s t r a c t W i t ht h ec o m p l e t i o no fm e d i u m t h i c ks e a mm i n i n gg r a d u a l l y ，t h ep r o p o r t i o no ft h i ns e a mm i n i n gw i l lc o n t i n u et oi n c r e a s e ，a n di t ss a f ea n de f f i c i e n tm i n i n gi sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t ．D u et ot h el i m i t a t i o no fm i n i n g s p a c ea n dh a r s hc o n d i t i o n s ，t h es h e a r e ri sp r o n et ot h ep r o b l e m so fu n r e a s o n a b l es t r u c t u r ed e s i g n ，i n s t a b i l i t ya n dp o o r r e l i a b i l i t y ．T a k i n gn e wt h i nc o a ls e a ms h e a r e ro fM G 2 | 1 0 0 ／4 5 5 - B W Dc u t t i n gp a r t sa sa ni n v e s t i g a t i o nt a r g e t ，t h er i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gv i r t u a lp r o t o t y p em o d e lo ft h es h e a r e rw a se s t a b l i s h e db yP r o ／E ，A N S Y Sa n dA D A M S ．T h em e c h a n i c a lm o d e lo fs h e a r e rs p i r a ld r u mw a se s t a b l i s h e db a s e do nc o a lb r e a k i n gt h e o r y ．T h ep r o b l e mo fl o a da d d i t i o no fr i g i d 一 收稿臼期2 0 1 8 0 4 1 5修回日期2 0 1 9 0 1 1 5责任编辑郭晓炜 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 6 7 4 1 3 4 ；辽宁省自然科学基金资助项目 2 0 1 7 0 5 4 0 4 2 0 ；辽宁省虚拟仿真实验教学中心资助项目 作者简介刘旭南 1 9 8 5 一 ，男，辽宁开原人，讲师。E m a i l y u w u k n a n 1 6 3 ．c o n 万方数据 第3 期刘旭南等基于应力一强度干涉理论的采煤机截割部关键零件可靠性分析 f l e x i b l ec o u p l i n gv i r t u a lp r o t o t y p em o d e lw a ss o l v e db yp r o g r a m m i n gw i t hM A T L A B ．T h em a x i m u ms t r e s sn o d e s ’t i m e d o m a i ni n f o r m a t i o na n dY o nM i s e ss t r e s sd i s t r i b u t i o no fo u t p u ts h a f t ，s h e l la n dp l a n e t a r yc a r r i e rw e r eo b t a i n e db yv i r t u - a ls i m u l a t i o n ．B a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t so f3 0s e t ss i m u l a t i o nm o d e l sf o rd i f f e r e n th a u l i n gs p e e d s ，t h em a x i m u m s t r e s sd i s t r i b u t i o nf u n c t i o no fe a c hk e yp a r tw a se s t a b l i s h e d ．B a s e do nt h er e l i a b i l i t yt h e o r yo fs t r e s s s t r e n g t hi n t e r f e r - e n c e ，c o m b i n e dw i t ht h em a x i m u ms t r e s sd i s t r i b u t i o nf u n c t i o no fe a c hk e yp a r ta n dt h es t r e n g t hd i s t r i b u t i o nf u n c t i o no f t h em a t e r i a lu s e d ，t h er e l i a b i l i t yc a l c u l a t i o nm o d e lo fe a c hk e yp a r tu n d e rm u l t i p l er a n d o ml o a d sw a se s t a b l i s h e dc o n - s i d e r i n gt h ec y c l eo fl o a d s ．T h er e l i a b i l i t i e so fo u t p u ts h a f t ，p l a n e tc a r r i e ra n ds h e l lw e r ec a l - c u l a t e da s0 ．9 7 8 ，0 ．5 3 6 a n d0 ．6 1 4r e s p e c t i v e l y ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o np h e n o m e n ae x i s to np l a n e t a r yc a r r i e ra n ds h e l l ． T h em a x i m u ms t r e s sl o c a t e sa tt h ei n t e r s e c t i o no fw e ba n ds p l i n es h a f to fp l a n e t a r yc a r t i e r ，a n da tt h ei n t e r s e c t i o no f b a c k s i d eo fi d l e rs h a f th o l ea n do u t s i d eo fp l a n e t a r yr e d u c e ro ft h es h e l l ，r e s p e c t i v e l y ．A f t e rt h ei m p r o v e m e n to ft h e w e a kp a r t s ，t h er e l i a b i l i t yo ft h ep l a n e tc a r r i e ra n ds h e l la r e0 ．9 6 9a n d0 ．9 9 7 4r e s p e c t i v e l y ，w h i c hc a nm e e tt h eo p e r a - t i o nr e q u i r e m e n t ．T h i sm e t h o dc a ne f f e c t i v e l ys h o r t e nt h ep r o d u c td e s i g nc y c l ea n di m p r o v et h ed e s i g nq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ek e yp a r t so fs h e a r e r ． K e yw o r d s s t r e s s - s t r e n g t hi n t e r f e r e n c et h e o r y ；c u t t i n gu n i t ；s h e a r e r ；r e l i a b i l i t y 我国薄煤层分布广泛，储量丰富，目前已探明可 采储量可达到6 7 亿t ，约占全国煤炭储量的1 ／5 ，有 些地区的薄煤层储量可达到煤炭储量的7 2 ％以上。 但由于开采空间狭小，使得采煤机尺寸、电机功率得 到了极大的制约，采煤机易出现设计结构不合理、可 靠性差等问题。 大量学者采用相关理论对采煤机可靠性问题进 行研究2 0 0 9 年，贺声阳⋯以可靠性理论为基础建立 了整机系统的可靠性数学模型，研究大功率电牵引采 煤机整机系统的可靠性，分析获得采煤机薄弱环节； 2 0 1 1 年，陈鹏心。运用全寿命周期理论研究了滚筒采 煤机寿命的可靠性，从管理学的角度出发深入研究了 滚筒采煤机的可靠性；2 0 1 5 年，张义民等“ 1 应 用M A T L A B 软件对M G 3 0 0 ／7 0 0 一W D 型采煤机摇臂 传动系统进行了非线性动力学特性分析，得到了系统 危险部位的应力谱，分析了摇臂传动系统的可靠性及 可靠性灵敏度，对系统可靠性的影响大小与系统结构 参数的关系进行了分析；同年，周笛等3 基于3 自由 度齿轮集中质量模型，对采煤机牵引部进行了整体动 力学建模，研究变速重载工况下系统的振动响应，获 得了牵引部各位置的动态接触应力，得到了系统功能 函数的概率分布函数和概率密度函数，对牵引部传动 系统在载荷多次作用下的动态可靠性进行了分析研 究；2 0 1 6 年，赵津“ o 以国内某大型煤矿集团公司数年 来收集的多台进口采煤机的故障数据为基础，建立了 采煤机在不同状态下的可靠性模型，统计辨识采煤机 在运行时的可靠性临界状态，分析研究了采煤机在多 数可靠性状态下的停留时间和可靠度分布情况；同 年，张义民等M 1 基于B P 神经网络非线性映射功能， 模拟获得了疲劳寿命和随机参数之间的关系表达式， 以最大可能点摄动法对行星机构进行可靠设计，最终 依据对行星轮与太阳轮进行的可靠性灵敏度设计，获 得各个参数均值和方差对结构可靠性的影响情况。 以上学者很好的将可靠性理论应用在采煤机以 及行星齿轮的可靠性分析上，若能以虚拟样机为平 台，建立采煤机截割部的刚柔耦合模型，通过仿真获 取关键零件的应力信息，并应用可靠性理论建立应 力一强度干涉模型，进而分析、推导、计算零件在指定 工况下的可靠性，将为采煤机关键零件可靠性分析提 供一种便捷方法，该方法将缩短产品设计周期、节约 劳动成本、提高产品质量，对提高采煤机设计质量具 有较高的理论意义和应用价值。 1 载荷多次作用下的零件可靠度模型 零件强度和所受应力的相对大小决定着零件的 失效与否，若使零件能够在载荷作用下完成正常工 作，必须满足 S s 0 1 式中，s 为零件的强度，M P a ；s 为零件所承受的最大 应力，M P a 。 而实际情况下应力和强度的大小符合一定的统 计概率分布。如图1 所示，h s 和八S 分别为应力 和强度的概率密度函数，阴影部位表明存在应力值大 于零件强度的可能性，零件有可能会失效，即为传统 的应力一强度干涉模型。 当应力s 与强度S 的概率密度函数分别为 h s 以S 时，可靠度R 则可表示o 为 f 0 0f ”f or S R Ih s J 八S d S d s J 八s Jh s d s d S J 一∞ Js J 一∞，一∞ 2 万方数据 煤炭 学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 hO ， ∞ 0 图1 应力一强度干涉模型 F i g ．1 S t r e s s s t r e n g t hi n t e r f e r e n c e s s I m o d e l 式 2 表述为计算在寿命周期内产品只承受一 次载荷情况下的可靠度计算公式。而对于有些工作 时间过长和载荷作用次数较多的产品应用公式时，应 以随机载荷作用下的统计学意义为基础，运用顺序统 计理论得到等效载荷分布情况，进而得到随机载荷多 次作用下的可靠性模型。 在随机载荷多次作用情况下服役的零件，在载荷 作用下不发生失效的概率大小即为零件的可靠度。 设零件所承受的最大应力的累积分布函数与概率密 度函数分别为H S ，h s ，选取m 个载荷样本 s ．， s ，⋯，s 。 中等效载荷 载荷样本中最大载荷值 作 为随机变量x 。根据以上分析与顺序统计量相关知 识可得可靠性等效载荷x 在载荷作用m 次时的累积 分布函数F ， 戈 为 R 戈 [ H x ] “ 3 概率密度函数 z 为 戈 引a x r 。1 h 戈 4 设零件所受载荷S 的累积分布函数与概率密度 函数分别为H s 和h s ，强度5 的概率密度函数为 ．厂 S ，当载荷s 作用i n 次时，应用载荷一强度干涉模 型以及由式 3 和式 4 分别得到s 作用m 次时等效 载荷x 累积分布函数R 戈 与概率密度函数厶 戈 ， 可获得随机载荷多次作用下的零件可靠度计算模 型Ho ，十。。r 十o o R m kJ z f 厂 S d S d x d 一∞J 一∞ roo， ∞ Im [ H 戈 ] 一1 h 戈 I 八S d S d x 5 J 一∞ Jz 根据式 5 采用M o n t e C a r l o 法，只需构建零件 应力与强度的概率密度函数，输人载荷作用次数，便 可对零件的可靠度进行求解，其程序框图如图2 所 示。其中，h 为指针记录载荷作用次数；i 为模拟的不 可靠次数0 为随机载荷作用的次数的过程变量。 2 截割部刚柔耦合虚拟样机模型 2 ．1 力学模型的建立 采煤机滚筒受力主要包括螺旋滚筒装煤反力、 图2 司靠度求解程序框图 F i g ．2R e l i a b i l i t ys o l u t i o nb l o c kd i a g r a m 截齿截割阻力、牵引阻力、侧向阻力，此外在截割煤壁 时对采煤机滚筒会产生一个附加的轴向力，其中截割 阻力z i ，牵引阻力y ．及侧向阻力x ．如图3 所示，计 算如式 6 ～ 8 所示。 一0 ．3 5 b 0 ．3 Z j 2 l O A pi 瓦菇丽k “8 i nO t c p K K ，K K c K 。l _ 1 0 妒6 。。s 。毯 6 y i 0 ．6 Z ．一1 0 0 6 。。S 。K 6 0 f 一1 7 X j z j 万丧面 c 3 半㈩ 式中，z ；为截齿的截割阻力，N ；Y i 为截齿的牵引阻 力，N ；X i 为截齿的侧向阻力，N ；A 。为煤层非地压影 响区的平均截割阻抗，N ／r a m ；b 。，为截齿工作部分计 算宽度，a m ；h ⋯为截齿的最大切削厚度，a m ；0 为截 齿所处位置角度， 。 ；t 。。为截齿的切削宽度，a m ；I | B 为截齿在牵引方向上的偏转角， 。 ；6 。为煤的单向 抗压强度，M P a ；S 。为截齿磨损面在截割平面上的投 影面积，c m 2 ；民，K ，K y ，K , p ，K c ，K 。。，，K 。分别为煤的 脆性系数、外露自由表面系数、截角影响系数、前刀面 形状影响系数、排列方式系数、地压对工作面煤壁影 响系数、截割阻抗系数、矿体体积系数；截齿的排列方 式为顺序式时，c 。，c 和C 3 分别取1 ．4 0 ，0 ．3 0 ，0 ．1 5 ， 交叉式时，C 。，C 和C 3 分别取1 ．0 0 ，0 ．2 2 ，0 ．1 0 。 装煤反力尺；为 耻0 ．2 5 邶一D 冲一羔] B W z 哕T 。 9 式中，D 。。为有效直径，m ；D 。为筒毂直径，m ；6 为叶 片的宽度，m ；Z 为螺旋叶片的头数；L 为螺旋叶片的 万方数据 第3 期刘旭南等基于应力一强度干涉理论的采煤机截割部关键零件可靠性分析 a 截齿受力 截割阻力。 将所有力转化到截割机构质心三向力及三相力 矩分别为 Ⅳ R ， ∑尺。 1 4 R ， ∑尺” 1 5 ，v R 。 ∑R ；。 1 6 式中，Ⅳ为总截线条数。 对于采煤机还需考虑滚筒的附加轴向力X 。，则 R ∑R 。一R s x 。 1 7 NN 坂 ∑R y i d 。 5 0 0 ∑R i D s i n0 3 7 5 R s D c o s7 1 8 x M y H y 蹦 5 0 0 荟吃珧o s 0 3 7 5 R s D c o s7 1 9 b 力、力矩转化 图3 滚筒受力简图 F i g ．3 F o r c ed i a g r a mo fd r u m 导程，m ；O t 为截割角度， 。 ；B 为滚筒截深，m ；W z 为原煤被推移时的阻力系数；缈为滚筒充满系数；7 。 为松散煤容重，N ／m 3 。 附加轴向力x 。 小％笋％ 1 0 式中，L 为后滑靴中一L ⋯3 1 t J 。前滚筒煤壁侧端面距离，m ； L ，为导向滑靴间的距离，m ；o ／。为采煤机切人煤壁时 的最大旋转角度， 。 ；R 。为正常采煤时滚筒受到的 牵引方向的阻力，N ；K 为截割力增加系数。 由图3 可将截齿的截割阻力及牵引阻力按坐标 系进行分解，则 每条截线上x 向合力 R 。。 ∑ K c o s0 一毛s i n8 11 每条截线上l ，向合力 尺，。 ∑ 一Y i j s i n0 一毛c o s 日 1 2 每条截线上z 向合力 R 。。 ∑蜀 1 3 式中，i 为第i 条截线；，为任意一条截线上的第J 把截齿；n 为任意一条截线上总截齿数；X Y Z i 分别为第i 截线，第J 把截齿的侧向力、牵引阻力、 丝 5 0 0 ∑∑毛D 2 0 ’』_ 』_ ■ 式中，y 为叶片与煤的摩擦角， 。 ；d 。为第i 条截线 距离质心的距离，m m ；M x ，M y 为截割头截齿受力转化 到质心点后X ，y 向的力矩。 根据式 7 ～ 2 0 ，采用M A T L A B 软件便可编 制程序计算滚筒质心处P 。M 所受载荷。8 ‘1 1 I ，根据井下 实际工况设置滚筒转速、牵引速度、煤的坚固系数分 别为7 1r ／m i n ，4m ／m i n ，3 ，通过程序计算得到的载荷 曲线如图4 所示。 2 ．2 刚柔耦合模型的建立 使用三维实体建模软件P r o ／E 对采煤机截割部 的各个零件进行数字化建模及装配，并将其导入到 A D A M S 中；采用A N S Y S 对输出轴、壳体、行星架进行 网格划分生成中性文件，并通过R i g i dt oF l e x 命令完 成相关柔性件的替换。按采煤机截割部各结构之间 的运动关系添加约束，按赫兹接触理论完成齿轮间接 触的添加。采用单位阶跃函数定义电机转速，在滚筒 质心处添加一广义力并将计算好的载荷曲线 图4 添加到该广义力上，最终建立的截割部的刚柔耦合模 型如图5 所示。 3 采煤机截割部可靠度分析 3 ．1 采煤机关键零件应力分析 进入A D A M S ／P o s t p r o c e s s o r ，选择V o nM i s e s s t r e s s ，将时间调整到最值时刻，观察最值时刻零件的 应力分布情况2 4 | ，如图6 所示。 万方数据 9 6 8 煤炭 学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 图4 绒t 0 曲线 F i g4 L o a dC u l w e s 刳5采煤机戡割部刚柔耦合模，删 F i g ．5R i g i d f l e x o u p l e l Im o d e lo fs h e a r m ’c u t t i n gu n i t 经过A D A M S 分析得出输出轴的最大应力出现 在与方头连接的花键槽根部；行星架应力较大位置主 要集中在行星架的腹板与花键的连接处；壳体应力较 大位置在后端盖与电机、行星部分联接螺栓处，最大 应力点位于壳体惰轮轴后侧与行星减速器承载部分 相交处。 将输出轴、行星架以及壳体的最大应力节点编号 2 7 1 1 6 ，2 4 4 4 8 ，1 0 9 0 5 输入到对应柔性体的N o d a lp l o t 对话框中，调整后处理为p l o t 模式，找到相应的节点 便可显示应力最大节点处的应力时域曲线，如图7 所 示，并记录相应最大应力值6 3 8 ．0 7 48 ，8 9 7 ．1 6 02 以 及3 7 9 ．0 0 81M P a ，由参考文献[ 1 5 1 6 ] 可知3 个零 件的应力分别为6 3 1 ．5 2 1 ，8 3 7 ．8 0 1 以及 3 0 9 ．2 6 7M P a ，这与本仿真结果相一致，证明了刚柔 耦合仿真计算关键零件应力的可靠性。 由于其受滚筒的截割功率、截齿伸出齿座的长 度，牵引力和牵引功率等因素的制约，一般取变异系 数0 ．0 5 Ⅲ1 ，即牵引速度为V 。～N 4 ，0 ．2 2 ，在不同 b 行星架应力云图 C 壳体应力云图 到6Z - 键零件最值时刻应力云图 8 ．0 7 48 88 6 73 5 ．6 5 99 2 ．4 5 24 蛊 9 ．2 4 49 羔 6 ．0 3 74 妄 2 ．8 2 99 { 爿 9 ．6 2 24 64 1 5O 2 0 75 7 ．1 6 02 7 ．4 4 42 7 ．7 2 82 8 ．0 1 22 金 8 ．2 9 61 要 85 8 01o 88 6 41 型 9 ．1 4 81 94 3 20 7 16 0 7 90 0 81 4 24 9 95 0 44 4 40 6 63 8 85 罡 2 83 3 30 要 9 0 ．2 7 75 弋 5 2 ．2 2 20 倒 1 41 6 65 6 ．1 l lO 80 5 55 F i g ．6 M a xvonr a i s e ss t t P s Ho tk e yp a t ’I s 3 0 0 2 0 0 1 0 0 b 行星架2 4 4 4 8 节点 0 时间∥s C 壳体1 0 9 0 5 节点 图7 关键零件侈点应力时域曲线 F i g ．7 T i l n ed o m a i nc u r v e so fl ／o d es t l ’e s so fk e yp a r t s ∞弱如”引巧体他∞O 茧＼R 日 黔舳引铊”甜“拍“鹕0 3 3 3 2 2 1 ●l 7 3 0 ．川I___l川㈠㈠㈠川_一 一一Lu．Z岜＼鼎R叵 盂苫／r、目 万方数据 第3 期刘旭南等基于应力一强度干涉理论的采煤机截割部关键零件可靠性分析 9 6 9 牵引速度下对采煤机截割部刚柔耦合模型进行3 0 组 仿真，并记录截割部各关键零件的最大应力信息 表 1 ，进而为关键零件应力分布奠定基础。 表1 各工况下应力值 T a b l e1S t r e s sv a l u e su n d e re a c hc o n d i t i o n 3 ．2 采煤机关键零件可靠性分析 3 ．2 ．1 输出轴可靠性分析 截割部输出轴采用的材料为4 2 C r M o ，根据采煤 机工作条件，在8 0 ℃时对该材料强度数据进行分析， 其分散性符合正态分布引，强度均值为9 5 0M P a ，若 变异系数为0 ．0 5 ，则标标准差为4 7 ．5M P a ，即 ㈣ j 未1 2 示唧[ _ ％等】 ／45．5 1 T L 斗3 l z J 由表1 所列数据，假设输出轴所承受最大应力服 从正态分布，并设检验显著水平O ／ 0 ．0 5 ，在M A T ． L A B 软件中，进行K s 假设检验即柯尔莫诺夫一斯 米尔诺夫检验，通过程序运行得到h 0 ，表示不能拒 绝零假设，说明所提出的假设“应力数据样本服从正 态分布”是合理的。其拟合结果如图8 所示。 图8 输出轴K - S 拟合检验 F i g ．8 K Sf i t t i n gt e s to fo u t p u ts h a f t 根据其检验结果得到输出轴最大应力值服从正 态分布，其均值为6 3 6 ．8 7 83M P a ，标准差 为3 3 ．0 4 34M P a ，即 危 s ．了i 二i 赢1e x p 【一￡三_ ；i 筹]、／19 9 4 ．0 9 1 T L ly y 斗u y J 通过载荷S 概率密度函数和强度S 概率密度函 数得到载荷作用m 次条件下的等效载荷x 的概率密 度函数如下 厶 z m f 广 兰一 L 。一。。√19 9 4 ．0 9 1 T e x P [ 一与筹≯㈩一1 胍【一T 面矿J 山j x 1 『 戈一6 3 1 ．5 2 1 2 1 ．鬲二二二懿P 9 9 40 9 r r 【一T 面矿J、／1． L ly y 斗u o J 根据在随机载荷多次作用下的可靠度计算模型 可得到可靠度表达式为 尺㈣’ f 戈 f ； 1 二二 J “ “、，45 1 2 ．5 可 e x P [ 一。。鬻】d s d z e x l 一五_ 亨i 万l d 3 d z 以截割部输出轴所受载荷作用5 0 0 次为基础，根 据图2 计算程序得到输出轴可靠度R 0 ．9 7 8 ，由此 可见截割部输出轴满足采煤机的使用要求。 3 ．2 ．2 行星架可靠性分析 采煤机行星架材料与输出轴相同，因此其材料强 度数据分布与输出轴一致。 行星架最大应力分布为s ～N 9 1 6 ．6 1 98 ， 5 3 ．6 2 572 ，其K - S 假设检验后拟合结果如图9 所 示。 万方数据 9 7 0 煤炭学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 图9 行星架K - S 拟合检验 F i g ．9 K Sf i t t i n gt e s to fp l a n e tc a r r i e r 行星架载荷概率密度函数 z m l 广 ～J 一 1 m 、压7 正丽 e x P [ 一与胖㈩一1 麟l 一1 万■i J 山f x 1 『 z 一9 1 6 ．6 1 98 2 1 ．万二二二既P 7 512 8 “ t r 【一1 丽／丁i J ／5． L ] l z 6 J 则随机载荷多次作用下的可靠度表达式 尺㈨’ f 厶 z f 1 。一。。 。。, ／45 1 2 ．5 1 T e x P [ 一絮] 她蹦I 一■污百I ∞吡 M o n t e - C a r l o 计算后可得R 0 ．5 3 6 ，行星架明显 强度不足，要使采煤机正常工作，需对行星架进行进 一步改进。根据截割部行星架模型和其对应应力云 图分析，在行星架腹板与花键轴相交处存在应力集 中，应力集中原因为此处导角过小，为减小应力集中 导角增大2m m ，改进结构如图1 0 所示。 a 改进前 b 改进后 图1 0 行星架结构对比 F i g ．10C o m p a r i s o no ft h es t r u c t u r eo ft h ep l a n e t a r yc a r r i e r s 将模型更改后使用A N S Y S 柔性化替代原柔性 件，再根据不同的牵引速度进行动力学仿真，得到最 值应力曲线和应力云图如图1 l 所示，由图l l 可知经 改进后的行星架在薄弱处的应力值明显减小。 统计不同牵引速度下的最值应力数据得改进后 行星架的最大应力的分布为S 7 ～ N 6 6 7 ．3 6 ，3 4 ．7 2 ，根据动态可靠性模型得R 0 ．9 6 9 ，其应力特性得到改善满足使用要求。 b 改进』L J ”’I 梨小i ／J 厶图 图1 1 改进后行星架应力曲线及云图 F i g ．11 S t r e s seurvea n dc o n t o u rp l o to fi m p r o v e dp l a n e tc a r T i e r 3 ．2 ．3 壳体可靠性分析 壳体为整体铸造件，采用的材料为Z G 3 0 M n 2 ，根 据其物理性能、力学性能和强度数据统计分析可得出 壳体材料的强度符合均值为3 9 0M P a ，标准差为 2 0 ．2 8M P a 的正态分布。按如上方法统计壳体在不 同牵引速度下的最值应力值数据得到其应力分布符 合s ～N 3 8 1 ．7 2 87 ，1 3 ．1 5 54 2 ，其K - S 假设检验如 图1 2 所示。 图1 2 壳体K S 拟合检验 F i g ．12 K Sf i t t i n gt e s to ft h es h e l l 根据等效载荷方程和载荷多次作用下可靠性模 型得可靠度R 0 ．6 1 4 。其可靠度较低，同样达不到 采煤机的实际工作要求，因此有必要对壳体应力值过 大的部位进行结构改进。 根据壳体模型和应力云图分析，壳体惰轮轴后侧 与行星减速器承载部分相交处存在应力集中，因此需 对此处结构进行改进，改进方法为在应力集中处添加 凸台结构如图1 3 所示。 同样将改进后壳体模型使用A N S Y S 柔性化后替 4 9 3 8 2 7 ●6 O 5 6 8 9 l 2 4 5 7 5 8 0 2 4 7 9 ，3 5 8 7 ●4 7 O 3 7 O 3 6 O 3 6