采煤機(jī)搖臂齒輪軸結(jié)構(gòu)特性分析

趙 聰 凱

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司晉南分公司，山西 蒲縣 041200）

0 引 言

采煤機(jī)作為煤礦綜采工作面主要設(shè)備之一，為了保證煤炭順利開采，要求采煤機(jī)具有較高的可靠性。搖臂齒輪箱的作用是給綜采工作面采煤機(jī)截割煤壁傳遞動(dòng)力，同時(shí)經(jīng)常發(fā)生故障的部件，已經(jīng)成為采煤機(jī)機(jī)械部分可靠性最薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)重制約了綜采工作面的產(chǎn)量。

通過(guò)故障統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，由于煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜、工作條件惡劣，二軸總成上的齒輪及軸承經(jīng)常發(fā)生故障，對(duì)于整個(gè)齒輪箱的使用性能及可靠性有很大的影響，因此針對(duì)該齒輪軸總成，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，以期找到其失效原因，提出相應(yīng)措施，提高齒輪軸總成的結(jié)構(gòu)性能，為采煤機(jī)的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化改進(jìn)提供了理論依據(jù)，從而達(dá)到采煤機(jī)可靠性開采的目的。

1 采煤機(jī)搖臂齒輪箱結(jié)構(gòu)

搖臂齒輪箱是采煤機(jī)截割部的重要組成部分之一，通過(guò)搖臂齒輪箱，將截割電機(jī)的動(dòng)力傳遞到滾筒，從而實(shí)現(xiàn)落煤和裝煤。采煤機(jī)搖臂齒輪箱有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）電機(jī)齒輪軸的一端連接電機(jī)輸出軸，將電機(jī)的動(dòng)力傳遞至二軸，另一端連接液壓制動(dòng)器。

2）惰輪組的作用是傳遞動(dòng)力，不調(diào)整速度大小。

3）牽引軸與中心齒輪組相連，是裝置的第二級(jí)減速部件，所受載荷較大。

4）中心齒輪組包括大齒輪和太陽(yáng)輪，分別與上級(jí)牽引軸和下級(jí)行星減速器的行星輪相連，動(dòng)力最終傳遞給行星輪。

5）牽引行星減速器為兩級(jí)行星減速，兩級(jí)行星輪個(gè)數(shù)分別為三個(gè)和四個(gè)，行星架和太陽(yáng)輪都是浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，可使內(nèi)部行星輪受力均勻。

圖1 采煤機(jī)搖臂齒輪箱結(jié)構(gòu)圖

其中二軸總成上的齒輪及軸承經(jīng)常發(fā)生故障，齒面點(diǎn)蝕剝落、斷齒等導(dǎo)致停機(jī)維修，給生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，因此本文主要是針對(duì)二軸齒輪軸總成進(jìn)行研究。

2 齒輪軸力學(xué)分析

根據(jù)采煤機(jī)搖臂的工作情況，以及齒輪軸的受力特點(diǎn)，利用彎扭合成的原理，對(duì)齒輪軸進(jìn)行力學(xué)分析以及強(qiáng)度校核。齒輪軸上的力分解為水平和豎值兩個(gè)方向，等效為集中作用力，作用在齒寬的中點(diǎn)。支座反力的位置與軸承參數(shù)有關(guān)，包括軸承的類型、安裝位置以及軸承的安裝方式。圖2 為齒輪軸受力計(jì)算簡(jiǎn)圖。

圖2 齒輪軸受力計(jì)算簡(jiǎn)圖

齒輪上的切向力Ft和徑向力Fr的計(jì)算公式如下：

式中：T 為轉(zhuǎn)矩，該齒輪軸的轉(zhuǎn)矩為4.082×106N·mm；d 為齒輪分度圓直徑，mm；α 分度圓壓力角，α=20°。

該搖臂齒輪軸總成齒輪分度圓直徑為272mm，軸齒輪直徑為207mm，因此可計(jì)算出齒輪切向力為30123N、軸齒輪切向力39456N、齒輪徑向力10884N、軸齒輪徑向力14268N。

3 結(jié)構(gòu)特性有限元分析

3.1 三維模型建立

本文所選擇的三維建模軟件為Solidworks 軟件，三維實(shí)體建模為了實(shí)際可操作性，通常需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化原則一般包括以下幾點(diǎn)：

1）零部件的主要尺寸不能改變，結(jié)構(gòu)中危險(xiǎn)部位的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)不能簡(jiǎn)化。

2）結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中部位不能簡(jiǎn)化。

3）在不改變整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、以及整機(jī)性能等條件下，對(duì)難以劃分網(wǎng)格的部位進(jìn)行適當(dāng)修改和簡(jiǎn)化，降低網(wǎng)格劃分的難度。

4）對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及分析結(jié)果不會(huì)造成影響的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，例如工藝小孔、圓角以及倒角等。

齒輪軸總成三維建模時(shí)，簡(jiǎn)化了螺栓、墊圈，保留了軸齒輪、齒輪、端蓋、軸承。同時(shí)對(duì)圓角、倒角進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。齒輪軸總成的三維模型如圖3 所示。

圖3 齒輪軸總成三維模型

3.2 齒輪軸總成有限元模型建立

3.2.1 單元類型及材料參數(shù)

首先對(duì)材料屬性、單元類型等進(jìn)行設(shè)置。單元類型選擇會(huì)影響到分析的準(zhǔn)確性，結(jié)合齒輪軸總成及各零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文選擇SOLID45 三維實(shí)體單元，材料的彈性模量2.2×1011Pa、泊松比0.27、密度7.91×103kg/m3。

3.2.2 網(wǎng)格劃分

為了保證齒輪軸總成及各零部件網(wǎng)格劃分時(shí)單元尺寸的合理性，同時(shí)不出現(xiàn)質(zhì)量較差的單元形狀，采用自由網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格單元長(zhǎng)度為10mm，齒輪軸總成網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4 所示。

圖4 齒輪軸總成網(wǎng)格模型

3.2.3 邊界條件

邊界條件的設(shè)定時(shí)，在齒輪軸的兩端面施加沿x、y、z 三個(gè)方向的平動(dòng)約束，在齒輪軸兩端圓柱面施加繞x、y 軸兩個(gè)方向的的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。

3.3 齒輪軸靜力學(xué)分析

對(duì)齒輪軸總成、軸齒輪和齒輪進(jìn)行了靜力學(xué)分析，變形分布云圖和等效應(yīng)力分布云圖如圖5～7 所示。齒輪軸的變形量很小，最大應(yīng)力為10.3MPa，出現(xiàn)在軸齒輪齒根的位置，其對(duì)結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)。只對(duì)軸齒輪和齒輪進(jìn)行加載時(shí)，計(jì)算出的應(yīng)力就會(huì)大大增加，齒輪軸最大應(yīng)力為56.4MPa、齒輪的最大應(yīng)力139 MPa。分析其原因是結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)應(yīng)力包括大小和分布都有很大影響。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，既對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度同時(shí)進(jìn)行校核。

圖5 齒輪軸總成有限元計(jì)算結(jié)果

圖6 齒輪軸有限元計(jì)算結(jié)果

圖7 齒輪有限元計(jì)算結(jié)果

3.4 齒輪軸模態(tài)分析

對(duì)齒輪軸總成中的軸齒輪進(jìn)行了模態(tài)分析，表1列出了軸齒輪的前8 階固有頻率。計(jì)算結(jié)果表明，與軸齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相比，軸齒輪的固有頻率較高，不會(huì)發(fā)生共振。

表1 齒輪軸前8 階固有頻率

綜上，該齒輪軸總成的最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸齒輪齒根部位，同時(shí)變形量及應(yīng)力相對(duì)較小。但是齒輪工作時(shí)，承受周期性交變應(yīng)力載荷，極容易出現(xiàn)疲勞失效。單獨(dú)對(duì)軸齒輪和齒輪進(jìn)行加載時(shí)，應(yīng)力明顯增大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)應(yīng)力的大小和分布影響很大。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)取較大的安全系數(shù)，對(duì)強(qiáng)度和剛度同時(shí)進(jìn)行校核。

4 提高搖臂齒輪軸結(jié)構(gòu)性能措施

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。針對(duì)齒輪軸的薄弱環(huán)節(jié)，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)水平，改進(jìn)用材用料，完善制作工藝，強(qiáng)化齒輪箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性。

2）裝配方面。裝配是影響齒輪件使用壽命的重要因素，嚴(yán)格控制齒輪嚙合以及軸承的裝配參數(shù)，提高裝配精度，減少裝配誤差。

3）檢查與維修。做到日常巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異響和高溫，及時(shí)處理異常故障；定期開箱檢查，提前發(fā)現(xiàn)齒輪疲勞點(diǎn)蝕等問(wèn)題，必要時(shí)可采用振動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，對(duì)齒輪件進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)和診斷，做到早預(yù)防早處理。

5 結(jié) 論

對(duì)齒輪軸進(jìn)行了受力分析，以及ANSYS 有限元靜力學(xué)和模態(tài)分析，結(jié)果表明該齒輪軸總成的最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸齒輪齒根部位，同時(shí)變形量及應(yīng)力相對(duì)較小。但是齒輪工作時(shí)，承受周期性交變應(yīng)力載荷，極容易出現(xiàn)疲勞失效。單獨(dú)對(duì)軸齒輪和齒輪進(jìn)行加載時(shí)，應(yīng)力明顯增大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)應(yīng)力的大小和分布影響很大。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)取較大的安全系數(shù)，對(duì)強(qiáng)度和剛度同時(shí)進(jìn)行校核。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配、檢查與維修三個(gè)方面提出了提高搖臂齒輪軸結(jié)構(gòu)特性的措施，為采煤機(jī)的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化改進(jìn)提供了理論依據(jù)，從而達(dá)到采煤機(jī)可靠性開采的目的。