基于接觸應(yīng)力分析的采煤機(jī)行走輪的優(yōu)化研究

王亞超

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)公司， 山西 朔州 036000）

引言

隨著煤礦企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)的加重，對(duì)采煤機(jī)運(yùn)輸設(shè)備提出了更高的要求。采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)對(duì)采煤機(jī)及時(shí)移動(dòng)和工作物資調(diào)動(dòng)的工作性能有較大的影響。目前采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型較多，各大煤礦主要采用齒輪銷排型行走機(jī)構(gòu)。該行走機(jī)構(gòu)的齒輪受到工作負(fù)載、齒輪與軌道之間產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，導(dǎo)致齒輪受到壓應(yīng)力或彎曲變形，在長(zhǎng)時(shí)間的作用下會(huì)導(dǎo)致齒輪變形，影響采煤機(jī)輸送過(guò)程的安全性。運(yùn)輸質(zhì)量直接影響到了整個(gè)采煤過(guò)程的效率和經(jīng)濟(jì)性[1]。由于采煤機(jī)工作環(huán)境惡劣，行走機(jī)構(gòu)齒輪的齒面在長(zhǎng)時(shí)間受到載荷作用下會(huì)形成金屬疲勞并產(chǎn)生磨損現(xiàn)象。采煤機(jī)自重達(dá)到幾十噸，齒輪容易突然發(fā)生折斷，導(dǎo)致使用壽命較短。目前我國(guó)采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)齒輪的使用壽命一般為三個(gè)月，頻繁更換齒輪會(huì)導(dǎo)致整個(gè)采煤工作過(guò)程的停止，降低了煤炭的生產(chǎn)能力。因此有必要改善行走機(jī)構(gòu)齒輪布置方式，提高其使用壽命，確保煤炭生產(chǎn)過(guò)程的采煤效率[2]。

1 行走輪工況受力的分析

1.1 采煤機(jī)整體受力

為精確地建立行走的齒面與路面之間結(jié)合的精確仿真模型，需要對(duì)采煤機(jī)工作工況進(jìn)行分析。本文以西南地區(qū)某礦區(qū)所采用的MG200型采煤機(jī)為研究對(duì)象，MG系列采煤機(jī)主要由上海設(shè)計(jì)院開發(fā)設(shè)計(jì)，適用范圍廣泛。該型號(hào)采煤機(jī)的齒數(shù)為14個(gè)，每一個(gè)齒輪的節(jié)圓半徑為298.55 mm，兩齒輪間的間距為125 mm。

根據(jù)實(shí)際工況情況，考慮極限載荷狀況，將采煤機(jī)以剛體進(jìn)行定義，分析其極限情況下的應(yīng)力分析結(jié)果。如圖1所示為MG200型采煤機(jī)整體結(jié)構(gòu)分析受力圖。此采煤機(jī)的受力分析，可為后期開展采煤機(jī)的行走輪的仿真分析提供理論基礎(chǔ)。

圖1 采煤機(jī)整體受力分析圖

圖 1 中：G為采煤機(jī)重力，F(xiàn)1～F3、N1～N3分別為前、后導(dǎo)向滑靴的約束，F(xiàn)4F5、N4N5分別為前、后支撐滑靴的約束力，F(xiàn)1x、F1y、F1z為前滾筒所受約束力，F(xiàn)2x、F2y、F2z為后滾筒所受約束力T1、T2為行走輪所受的牽引。

1.2 齒輪面受力分析

由于采煤機(jī)運(yùn)輸物料時(shí)自重可達(dá)到幾十噸，并且受到工作地面所帶來(lái)的摩擦力作用，齒輪受到較大的沖擊，載荷齒輪面與工作軌道接觸時(shí)會(huì)受到較大的接觸應(yīng)力，容易發(fā)生折斷[3]。通過(guò)綜合分析可知，造成齒輪面破損主要有兩種應(yīng)力形式，第1種是齒輪面所受到的彎曲引力，可造成齒輪折斷，第2種是齒面與工作軌道的接觸載荷，在局部形成較大的接觸應(yīng)力，會(huì)形成齒輪面的塑性變形和點(diǎn)蝕等破壞形式。以上兩種破壞形式都會(huì)造成齒面的破壞，進(jìn)而對(duì)齒輪的壽命造成不利的影響，因此，可從這兩方面對(duì)延長(zhǎng)齒輪使用壽命進(jìn)行研究，降低工作載荷對(duì)齒輪齒面的破壞作用。齒輪面受力情況如下頁(yè)圖2所示。工作軌道的銷柱對(duì)齒輪的作用力為法線方向的F，可以分解為：行走輪的有效牽引力Ft和提升力Fr。

2 有限元分析

2.1 三維模型的建立

通過(guò)實(shí)際MG200型采煤機(jī)結(jié)構(gòu)圖以及日常在運(yùn)維過(guò)程中的行走示意圖，建立MG200型采煤機(jī)的三維模型，對(duì)一些不相干的零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，包括金屬板、滑扣等零散部件進(jìn)行扣除，將這些部件的重量在新建的三維模型中進(jìn)行重新配重，使其滿足實(shí)際的配重要求[4]。

圖2 輪齒受力示意圖

目前所采用的雙滾筒采煤機(jī)齒輪—銷行走機(jī)構(gòu)是通過(guò)齒輪與銷之間黏合而成，通過(guò)齒輪與銷之間的約束力對(duì)采煤機(jī)行走限制，通過(guò)三維建模軟件Proe對(duì)軌道結(jié)構(gòu)和齒輪黏合結(jié)構(gòu)分別建模，如圖3、圖4所示。

圖3 軌道結(jié)構(gòu)圖

圖4 齒輪黏合結(jié)構(gòu)圖

2.2 仿真模型的建立

通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)已建立的三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)定義并設(shè)置邊界條件。由于行走齒輪的結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，只取其中一個(gè)齒進(jìn)行局部的分析，定義齒面—銷部位的接觸參數(shù)，開展局部研究，可分析出整體結(jié)構(gòu)齒的接觸應(yīng)力分布情況。

材料屬性定義如下，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況得知材料一般為18Cr2Ni4W，彈性模量為2.2×1011Pa，泊松比為0.3，為確保仿真的精確性，將每一個(gè)有限元單元體定義為C3D8I六面體結(jié)構(gòu)，對(duì)接觸面的局部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行細(xì)致劃分，提高求解精度、最終結(jié)構(gòu)單元總數(shù)為9076，對(duì)齒輪加載時(shí)應(yīng)將兩側(cè)與底部對(duì)稱性施加載荷[5]，確保邊界條件的準(zhǔn)確性。仿真模擬圖如圖5所示。

在定義接觸作用力的時(shí)候，應(yīng)將主接觸面設(shè)置為齒輪，從接觸面設(shè)置為銷柱結(jié)構(gòu)，設(shè)置邊界條件的時(shí)候，應(yīng)將銷柱進(jìn)行固定，對(duì)于齒輪一側(cè)預(yù)留一個(gè)自由度[6]。完成載荷定義與邊界條件設(shè)置之后，開展有限元仿真求解。

圖5 接觸應(yīng)力模型網(wǎng)格示意圖

2.3 結(jié)果分析

如圖6所示，現(xiàn)有普通行走輪的齒輪在與銷排接觸后，其應(yīng)力分布主要集中于齒輪的中部與根部，形成了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大的接觸應(yīng)力值為223.8 MPa，由于該齒輪的屈服強(qiáng)度為250 MPa左右并且應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生在齒輪根部，因此在長(zhǎng)時(shí)間的行走過(guò)后容易造成齒輪的金屬疲勞變形，從而發(fā)生折斷現(xiàn)象，為確保行走機(jī)構(gòu)齒輪的安全穩(wěn)定性，有必要對(duì)整體行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 接觸應(yīng)力（MPa）模型網(wǎng)格示意圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后結(jié)果的對(duì)比分析

為延長(zhǎng)齒輪的使用壽命，可從以下幾個(gè)方面考慮：第一是從齒輪材料方面入手，變更材料提高抵抗疲勞強(qiáng)度；第二是減少其受到的外部載荷作用力。從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，采取減少外部作用力的優(yōu)化手段，原有單排兩個(gè)行走機(jī)構(gòu)，添加為單排四行走輪機(jī)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 四行走機(jī)構(gòu)優(yōu)化示意圖

通過(guò)增加行走輪的方式，可減小每一個(gè)行走輪齒輪的受力載荷，從而降低每個(gè)齒輪表面與銷排之間的接觸應(yīng)力，使接觸應(yīng)力在齒輪上分布更加的均勻。按照原有齒輪分布形式仿真過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。分析其優(yōu)化后四行走輪機(jī)構(gòu)齒面的應(yīng)力分布狀況。優(yōu)化后應(yīng)力分布示意圖如下頁(yè)圖8所示。

圖8 四行走輪優(yōu)化后應(yīng)力（MPa）分布示意圖

四行走輪機(jī)構(gòu)所受到的最大接觸應(yīng)力數(shù)值為112.4 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，對(duì)原有結(jié)構(gòu)的數(shù)值下降率為50%。通過(guò)四行走輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有效地降低了齒輪面所受到的應(yīng)力載荷，提高了行走機(jī)構(gòu)的使用壽命，保障了采煤過(guò)程運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性，對(duì)于采煤量的大幅度提高有所保證。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前MG200型采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)齒輪磨損情況嚴(yán)重以及使用壽命較低的現(xiàn)狀。采用有限元技術(shù)找到了目前齒輪面應(yīng)力分布數(shù)值及薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)增加行走輪的方式對(duì)整體行走機(jī)構(gòu)的使用壽命進(jìn)行提升。為保證行走輪的對(duì)稱性，設(shè)計(jì)成四行走輪的優(yōu)化方式，降低了齒輪面的應(yīng)力載荷，有效提高了齒輪面的壽命，可以使行走輪的使用壽命提高一倍。雖增加了行走輪的數(shù)目，提高了成本，但延長(zhǎng)使用壽命可使增加成本進(jìn)行抵消，并且避免了不斷停工更換齒輪所帶來(lái)的工作間隙，提高了煤炭開采運(yùn)輸效率，四行走輪機(jī)構(gòu)更加適合煤炭采煤機(jī)使用，為今后采煤機(jī)運(yùn)輸行走機(jī)構(gòu)的研究提供了依據(jù)。