關(guān)于采煤機行走輪使用中的疲勞壽命研究

楊永峰

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西興縣 033602）

0 引言

隨著采煤機在煤礦中的大量使用，保證其在長時間、超負(fù)荷、惡劣環(huán)境等工況下具有較高的結(jié)構(gòu)性能，成為當(dāng)下提高煤礦開采效率、增加企業(yè)經(jīng)濟效益的關(guān)鍵問題[1-3]。行走輪作為采煤機中的重要部件，其在與銷排嚙合接觸過程中，受到了較大的拉力載荷和壓力載荷的交替作用，加上齒面磨損的嚴(yán)重模型，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重的疲勞破壞現(xiàn)象，大大降低行走輪的使用壽命和采煤機的工作效率。因此，有必要對采煤機行走輪的疲勞壽命情況開展分析研究。以采煤機行走輪疲勞壽命特點為分析基礎(chǔ)，采用PROE軟件及ANSYS軟件，建立了行走輪疲勞破壞的仿真模型，開展了行走輪的疲勞壽命仿真分析研究，并提出了提高行走輪疲勞壽命的相關(guān)措施[4-6]。該研究為開展提高行走輪疲勞壽命的優(yōu)化改進(jìn)研究提供了參考依據(jù)，對煤礦企業(yè)具有重要的現(xiàn)實價值。

1 行走輪疲勞壽命特點分析

行走輪的疲勞壽命是直接影響使用壽命的關(guān)鍵因素，其疲勞破壞主要體現(xiàn)為行走輪運動過程中，由于受到種種因素影響而產(chǎn)生了脆性斷裂現(xiàn)象，其破壞程度與靜力破壞有所不同。疲勞破壞是一個緩慢變化過程，主要從裂紋的產(chǎn)生到裂紋的逐漸擴散，最終發(fā)生結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，屬于脆性斷裂類型。其中，影響行走輪疲勞破壞的因素主要包括：在行走輪運動過程中產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，此集中的應(yīng)力極易導(dǎo)致行走輪發(fā)生疲勞破壞；同時，由于行走輪在使用過程中，其接觸表面存在相互磨損，主要發(fā)生在輪齒接觸處，產(chǎn)生了嚴(yán)重的不平整現(xiàn)象，增大了結(jié)構(gòu)的表面粗糙度，加上行走輪自身的加工質(zhì)量差等因素，最終也會導(dǎo)致行走輪發(fā)生疲勞破壞現(xiàn)象；另外，行走輪工作過程中，受到的外界載荷力大小、振動頻率高低及較大載荷作用時間長短等因素，也會導(dǎo)致其發(fā)生疲勞破壞[7-8]。而結(jié)構(gòu)的靜力破壞是指結(jié)構(gòu)在受到較大外界作用力下快速出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)斷裂破壞的現(xiàn)象，屬于塑性破壞類型，主要影響因素為外界的較大載荷作用導(dǎo)致。因此，降低行走輪的疲勞破壞程度，對提高其工作效率和使用壽命至關(guān)重要。

2 行走輪模型建立

2.1 三維模型建立

通過對行走輪疲勞特點的分析可知，其疲勞破壞發(fā)生位置主要集中在行走輪與銷排的輪齒接觸位置，而行走輪與銷排嚙合時，僅有2個齒輪發(fā)生嚙合接觸。因此，為進(jìn)一步對行走輪疲勞破壞情況進(jìn)行分析，提高分析速度，采用PROE軟件，建立了采煤機行走輪部分輪齒的三維模型。為避免行走輪上非關(guān)鍵特征對分析結(jié)構(gòu)的影響，提高分析精度，對行走輪輪齒上較小的過渡圓角進(jìn)行了模型簡化，僅保留了行走輪上輪齒的關(guān)鍵特征，從而建立了行走輪部分輪齒的三維模型，如圖1所示。

圖1 采煤機行走輪三維模型圖

2.2 仿真模型建立

為進(jìn)一步分析行走輪的疲勞強度，采用ANSYS軟件，對行走輪的材料進(jìn)行了設(shè)置。由于輪齒類材料在實際使用中，主要采用Q345、45號鋼等，因此，選用了45號鋼材料，對行走輪進(jìn)行材料設(shè)置，其材料的主要性能參數(shù)如表1所示。同時，在軟件中，對行走輪進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，網(wǎng)格數(shù)量約11 550個，其網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。由于行走輪運動過程中，其齒頂和齒根部位會受到較大的彎矩作用，因此，對行走輪齒頂?shù)墓?jié)點在法向方向進(jìn)行載荷施加，并對輪的中心軸孔位置進(jìn)行了全約束設(shè)置，由此建立了行走輪疲勞破壞仿真模型。

表1 行走輪45號鋼材料主要性能參數(shù)

圖2 采煤機行走輪網(wǎng)格劃分圖

3 行走輪疲勞壽命結(jié)果分析

結(jié)合建立的行走輪仿真模型，開展了不同齒面粗糙度、不同載荷大小因素影響下的行走輪疲勞強度仿真分析研究。

3.1 疲勞破壞仿真結(jié)果分析

圖3為行走輪疲勞破壞仿真結(jié)果圖。由圖可知，行走輪的齒根部位出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而齒頂?shù)膽?yīng)力則相對較小，其他部位的應(yīng)力則更小，可忽略不計。由此，可說明行走輪的疲勞破壞位置主要集中在輪齒根部，分析其原因為：輪齒根部在與銷排嚙合過程中，受到了不同大小的拉力和壓力共同交變作用，導(dǎo)致其發(fā)生了較大的疲勞破壞，從而，找到了行走輪發(fā)生疲勞破壞較為嚴(yán)重的位置。

圖3 行走輪疲勞破壞仿真結(jié)果圖

3.2 不同齒面粗糙度的影響分析

由于行走輪工作中，會有大量的煤塵掉落至行走輪與銷排的嚙合處，煤塵與行走輪之間的不斷摩擦，增大了其表面的粗糙程度，對行走輪的疲勞壽命產(chǎn)生了重要影響。因此，結(jié)合建立的仿真模型，開展了不同齒面粗糙度對行走輪疲勞壽命的影響分析。圖4為不同粗糙度等級與行走輪疲勞壽命的變化曲線圖。由圖可知，隨著粗糙度等級的增大，行走輪的疲勞壽命呈先穩(wěn)定不變、再逐漸減小的變化趨勢，其中，當(dāng)粗糙度等級為1級和2級時，行走輪的疲勞壽命基本不變化且疲勞壽命最高。因此，有效提高行走輪齒面的光滑程度，降低齒面的粗糙程度，對提高行走輪的疲勞壽命至關(guān)重要。

圖4 不同粗糙度等級對疲勞壽命的影響曲線

4 提高行走輪疲勞壽命的措施

結(jié)合分析，行走輪在使用過程中，其齒根部位發(fā)生了較大的應(yīng)力集中，影響行走輪的疲勞壽命；同時，較高的齒面粗糙度，也會降低行走輪的疲勞壽命。針對此現(xiàn)象，需采用有效措施來提高行走輪的疲勞壽命，具體措施如下：

（1）適當(dāng)增加行走輪齒根部的過渡圓弧半徑，增加輪齒厚度，有效降低輪齒的應(yīng)力集中現(xiàn)象，可提高行走輪的疲勞壽命；

（2）采取措施對行走輪與銷排嚙合接觸位置進(jìn)行防塵保護(hù)，增加采煤機的密閉性，以防止煤塵過多地掉入嚙合處，減小因外界雜物而導(dǎo)致行走輪疲勞壽命降低；

（3）提高行走輪的結(jié)構(gòu)強度，在其生產(chǎn)加工過程中，可對其進(jìn)行調(diào)質(zhì)、淬火等熱處理，以此來增加其表面強度，保證輪齒在嚙合過程中具有較高的表面光滑度，從而提高行走輪的壽命；

（4）定期對行走輪與銷排嚙合部位進(jìn)行維護(hù)保護(hù)，及時添加潤滑油，針對有磨損嚴(yán)重的行走輪，應(yīng)及時進(jìn)行零部件的更換。

5 結(jié)束語

以采煤機行走輪疲勞壽命特點為分析基礎(chǔ)，采用PROE軟件及ANSYS軟件，建立了行走輪仿真模型，開展了行走輪的疲勞壽命仿真分析研究，得到如下結(jié)論：

（1）行走輪運動過程中，齒根位置發(fā)生了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，此薄弱位置將嚴(yán)重影響行走輪的疲勞壽命；

（2）行走輪的疲勞壽命隨著其齒面粗糙度的增加而呈逐漸減小的變化趨勢，而在粗糙度為前2級時，對疲勞壽命影響較小，因此，可通過提高行走輪的齒面光滑度來提高其疲勞壽命；

（3）提出了降低行走輪應(yīng)力集中、提高其接觸表面強度、減小煤灰掉入、加強行走輪維護(hù)保護(hù)等措施，以此來提高行走輪的疲勞壽命；

（4）增強了煤礦企業(yè)對提高行走輪疲勞壽命的認(rèn)識，為進(jìn)一步開展提高行走輪疲勞壽命的優(yōu)化改進(jìn)研究提供了重要的參考作用。