基于NCODE的采煤機行走輪使用壽命的分析

申建偉

（山西煤炭運銷集團四明山煤業(yè)有限公司， 山西 高平 048400）

引言

據(jù)統(tǒng)計疲勞破壞占到了機械破壞的80%以上，通常在小于材料屈服應(yīng)力的情況下，由于長時間的變幅應(yīng)力或應(yīng)變的作用導(dǎo)致材料脆性斷裂，斷裂之前沒有明顯肉眼可見的塑性變形，因此疲勞破壞常常也難以預(yù)測，而破壞后造成的經(jīng)濟損失、人員傷亡也較為嚴重。構(gòu)件的疲勞使用壽命還和構(gòu)件表面的粗糙度有關(guān)，構(gòu)件表面越粗糙，夾雜、空洞、缺陷越多，產(chǎn)生應(yīng)力集中的概率也就越大、應(yīng)力集中范圍就越廣，也就越容易發(fā)生疲勞破壞。

現(xiàn)有對采煤機牽引部的動力學(xué)特性的研究表明：采煤機行走輪在工作過程中承受復(fù)雜多變的動態(tài)變幅循環(huán)載荷，承受沖擊載荷的情況較多，實際生產(chǎn)中常發(fā)生齒根疲勞斷裂的現(xiàn)象，因此行走輪疲勞壽命較短已成了嚴重影響采煤機安全生產(chǎn)的重要因素[1-2]。為了保障采煤機的整體可靠性，有必要對行走輪的疲勞壽命預(yù)測及其影響因素進行研究。研究不僅可以找出行走輪在結(jié)構(gòu)設(shè)計時的隱含缺陷，針對設(shè)計缺陷進行優(yōu)化、提高其使用壽命，縮短行走輪的開發(fā)、試驗周期、節(jié)約設(shè)計成本，還對采煤機牽引部其他結(jié)構(gòu)件疲勞壽命研究的開展也具有一定的借鑒意義。

1 行走輪疲勞壽命的分析流程

圖1為基于ANSYS-NCODE的疲勞分析流程，其中重要的包括：行走輪輪齒的強度有限元分析、行走輪動力學(xué)載荷譜的獲取和行走輪所用材料的疲勞特性。

行走輪疲勞分析的實現(xiàn)流程為：首先在ANSYS中完成行走輪特定載荷工況下的靜強度有限元分析，將分析結(jié)果導(dǎo)入NCODE軟件中，在軟件中設(shè)置材料的疲勞特性曲線即S-N曲線，輸入行走輪動態(tài)的載荷譜，將這三部分結(jié)合起來，按照MINER疲勞線性累積的原則，進行疲勞損傷的計算，最后由NCODE軟件用云圖的形式顯示行走輪輪齒各個區(qū)域的疲勞壽命，并由此判斷疲勞破壞發(fā)生的位置[3]。

圖1 ANSYS-NCODE疲勞分析流程

2 行走輪疲勞分析

2.1 行走輪彎曲有限元分析

2.1.1 靜力學(xué)分析模型

采煤機在工作面上重復(fù)前進、后退進而實現(xiàn)采煤，因此在輪齒嚙合處受到變化作用的接觸力，導(dǎo)致疲勞破壞時有發(fā)生。已有的研究表明輪齒在嚙合時齒根承受較大彎矩，由于彎矩在齒根產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，齒根在承受這樣的變幅應(yīng)力、應(yīng)變作用后發(fā)生疲勞破壞。另外輪齒的齒頂在受力時，齒根所受的彎矩最大，因此要計算輪齒的疲勞，首先就要對輪齒齒頂兩側(cè)受力時的工況進行強度分析并掌握其應(yīng)力分布情況。

嚙合過程中一般只有兩個輪齒在進行嚙合，為了減少有限元分析的工作量，文章考慮只建立三個輪齒的有限元模型，如下頁圖2所示，不再建立完整的行走輪、銷排模型。載荷分別施加在輪齒齒頂左側(cè)和右側(cè)法向方向上，其余的側(cè)面全約束。

2.1.2 結(jié)果分析

從下頁圖3仿真結(jié)果中可以看出：輪齒在受壓時應(yīng)力大于輪齒受拉時的應(yīng)力，即右側(cè)加載時的應(yīng)力大于左側(cè)加載時的應(yīng)力，分析結(jié)果符合一般輪齒嚙合的受力特點，因此模型也可用來計算輪齒的疲勞壽命。

圖2 輪齒兩側(cè)交替受力模型

圖3 行走輪輪齒輪齒受力時應(yīng)力分布云圖

2.2 行走輪載荷譜的獲取

使用NCODE計算輪齒疲勞壽命時，需事先獲取輪齒的動載荷譜。根據(jù)已有研究的ADAMAS仿真結(jié)果，得到輪齒嚙合時的接觸力隨時間變化的曲線，如圖4所示為一個完整的嚙合周期內(nèi)接觸力隨時間的變化。

圖4 行走輪載荷譜曲線

2.3 行走輪S-N曲線的確定

輪齒采用的材料為ZG30CrMnmo，根據(jù)這種材料的材料屬性在NCODE中定義材料，輸入包括密度、楊氏模量、泊松比、屈服強度、抗拉強度、S-N曲線等。根據(jù)已有的試驗數(shù)據(jù)行走輪材料疲勞屬性可由以下應(yīng)力與壽命間的對數(shù)關(guān)系式來描述[4-5]：

式中：S為應(yīng)力幅值；N為疲勞壽命。

3 疲勞壽命結(jié)果及分析

依照文章第一節(jié)中介紹的輪齒疲勞壽命計算流程，依次導(dǎo)入輪齒靜強度分析結(jié)果、動載荷譜文件、材料疲勞特性數(shù)據(jù)，并在NCODE中進行Goodman平均應(yīng)力修正、應(yīng)力幅值的雨流計數(shù)、輪齒表面粗糙度、計算結(jié)果置信度為99%的設(shè)置，計算輪齒模型中各個節(jié)點的疲勞壽命。計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 行走輪輪齒疲勞壽命分布圖

從圖5中可以看出行走輪的齒根部位疲勞壽命最短，在置信度為99%時的輪齒最小壽命為2.232e+6次，即能有99%的可靠度保證輪齒至少在嚙合2.232e+6次后，才有可能發(fā)生疲勞破壞[6]?？梢钥闯鲞@一壽命結(jié)果，實際上是較為偏小的，一般工程上希望輪齒的壽命達到106及以上的量級，這主要是由輪齒齒根受到拉壓應(yīng)力的反復(fù)作用造成的，特別是拉應(yīng)力對于裂紋的形成和擴展都具有重要的推動作用。

4 改進措施

輪齒的疲勞壽命主要受到載荷、結(jié)構(gòu)、材料三個方面的影響。從載荷上來講輪齒受到的載荷主要來自于行走輪的載荷。當(dāng)行走輪的載荷突然增大時，會導(dǎo)致輪齒齒根處的應(yīng)力增大進而影響疲勞壽命。要降低輪齒的載荷，可通過降低行走輪載荷來實現(xiàn)，但地下工況復(fù)雜多變而無法控制，因此要提高輪齒的疲勞性能和壽命，只能通過結(jié)構(gòu)和材料兩方面來實現(xiàn)。

從結(jié)構(gòu)上來講，可通過優(yōu)化輪齒的外形尺寸達到降低應(yīng)力提高壽命的目的，如前所述齒根應(yīng)力集中是由所受彎矩引起的，降低其彎矩可通過減小輪齒節(jié)度圓半徑、鋸齒形輪齒修改為漸開線圓柱齒輪、圓錐齒輪等方式來實現(xiàn)。另外井下工作情況惡劣，經(jīng)常會出現(xiàn)煤渣、煤塊掉落在銷排上，使得輪齒嚙合不夠進而磨損輪齒的表面，輪齒表面在磨損后出現(xiàn)腐蝕等情況使得輪齒表面變得更為粗糙，其在承受較大幅值的應(yīng)力、應(yīng)變后會加劇裂紋的生長。根據(jù)已有的齒面粗糙度對輪齒疲勞壽命影響的研究表明，輪齒的疲勞壽命隨粗糙度的減小而增大，當(dāng)粗糙度分別為6至2級時，輪齒的疲勞壽命提高了1.5至3.5倍不等。因此我們還可以從通過提高輪齒表面粗糙度等級方面著手，通過噴丸滲碳、氮化等工藝的處理提高輪齒的疲勞壽命。從材料上來講，在控制經(jīng)濟成本的前提下，可通過更換具備更好的疲勞性能材料如航空航天方面常用的鈦合金等來提高結(jié)構(gòu)的疲勞性能和壽命。

5 結(jié)論

1）通過NCODE的計算發(fā)現(xiàn)，疲勞破壞的薄弱位置位于齒根處，在現(xiàn)有動載荷譜作用下的壽命為2.232e+6次，這主要由于輪齒齒根兩側(cè)反復(fù)受到拉應(yīng)力和拉應(yīng)力的交變作用，在拉應(yīng)力對于裂紋形成及生長的有利促進下，致使齒根處極易發(fā)生疲勞破壞。

2）可通過優(yōu)化齒形，減小節(jié)度圓半徑的方法降低輪齒所受彎矩，減小應(yīng)力集中的情況；可通過噴丸、滲氮等工藝提高輪齒表面粗糙度，進而提高輪齒的疲勞性能。另外，行走輪的載荷對于輪齒的疲勞具有重大影響，實際工作時，應(yīng)盡力避免出現(xiàn)前后輪受力不均的現(xiàn)象。