薄宇雷
(山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)公司,山西忻州 036000)
隨著國家對煤礦資源的大量開采,越來越多的煤礦開采設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。礦用破碎機(jī)作為煤礦開采中的重要設(shè)備,憑借其高破碎效率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠等特點,得到廣大煤礦行業(yè)的青睞[1]。齒環(huán)座作為破碎機(jī)中的關(guān)鍵部件,保證其具有較高的結(jié)構(gòu)性能,實現(xiàn)破碎機(jī)的多碎少磨目標(biāo),已成為當(dāng)下提高破碎機(jī)作業(yè)安全及作業(yè)效率的重要方向[2]。因此,以PS0820型破碎機(jī)上齒環(huán)座為研究對象,分析了其運行中出現(xiàn)的各類故障失效問題,通過建立齒環(huán)座的仿真模型,開展了其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析研究,并對其結(jié)構(gòu)改進(jìn)及應(yīng)用效果進(jìn)行了分析,這對提高齒環(huán)座的結(jié)構(gòu)性能具有重要作用,也能使破碎機(jī)更加廣泛地應(yīng)用到煤礦作業(yè)中。
目前,煤礦領(lǐng)域中一般采用了雙齒輥破碎機(jī)類型,其結(jié)構(gòu)主要由齒環(huán)座、電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、液力耦合器等部件組成,整套設(shè)備具有較好的煤礦開采破碎效果。但在其破碎機(jī)作業(yè)中,齒環(huán)座主要利用自身的剪切及擠壓作用,對煤石進(jìn)行破碎作業(yè)[3],導(dǎo)致齒環(huán)座作業(yè)中不可避免地出現(xiàn)了不同程度的磨損或損壞問題。
(1)磨損失效
在破碎機(jī)破碎礦石過程中,齒環(huán)座上的輪齒將與礦石間發(fā)生較大的擠壓與剪切作用,而此過程中將會遇到較硬的礦石,這將對輪齒表面造成較大的切痕,并產(chǎn)生局部磨損。隨著齒環(huán)座不間斷的長時間作業(yè),致使切痕的磨損程度不斷增大,最終使輪齒表面發(fā)生了塑性變形,產(chǎn)生了嚴(yán)重的磨損失效現(xiàn)象[4]。
(2)熱疲勞磨損失效
隨著齒環(huán)座對礦石的不斷破碎與切削,使得輪齒與物料之間因相互摩擦而產(chǎn)生了較大的摩擦熱能,致使齒環(huán)座的作業(yè)溫度不斷上升;當(dāng)物料與齒環(huán)座分離時,輪齒上的作業(yè)溫度又快速降低,齒環(huán)座表面溫度如此反復(fù)地發(fā)生變化,最終使其整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了熱疲勞磨損失效[5]。
(3)齒環(huán)座輪齒折斷失效
當(dāng)齒環(huán)座遇到較為堅硬的礦石時,除了會對其結(jié)構(gòu)表面造成嚴(yán)重的磨損外,還會使輪齒表面受到較大的沖擊載荷作用。隨著礦石硬度的增大,齒環(huán)座所受到的沖擊載荷也會相應(yīng)增大,齒環(huán)座在此工況條件下長期作業(yè),最終會使齒輪座輪齒產(chǎn)生折斷失效現(xiàn)象[6]。
因此,針對破碎機(jī)齒環(huán)座作業(yè)中出現(xiàn)的故障失效問題,有必要對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度開展分析研究,找到其作業(yè)時受力的變化規(guī)律,以此保證其結(jié)構(gòu)的可靠性及穩(wěn)定性。
根據(jù)破碎機(jī)齒環(huán)座在作業(yè)中存在的失效問題,有必要對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度開展分析研究。因此,根據(jù)PS0820型破碎機(jī)上齒環(huán)座的結(jié)構(gòu)尺寸,采用Solidworks軟件,對其進(jìn)行了三維模型建立。在軟件中,對齒環(huán)座上非關(guān)鍵的圓角、倒角、過渡圓弧等特征進(jìn)行了模型簡化,僅保留了齒環(huán)座上關(guān)鍵的輪齒、斜面、頂部及根部等特征。由此,建立了齒環(huán)座的三維模型,如圖1所示。
圖1 齒環(huán)座三維模型圖
圖2 齒環(huán)座網(wǎng)格劃分圖
結(jié)合建立的齒環(huán)座三維模型,將其導(dǎo)入ABAQUS軟件中,建立了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析模型。齒環(huán)座實際使用中采用的ZGMn13材料具有較強(qiáng)的韌性和耐磨性,因此,在軟件中將其結(jié)構(gòu)的材料設(shè)置為ZGMn13、泊松比為0.3、材料密度為7 850 kg/m3、楊氏模量為2.1 GPa、許用應(yīng)力為440 MPa。同時,采用了四面體網(wǎng)格類型,對其進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格大小設(shè)置為5 mm,最終的單元數(shù)量為14 556個,模型的網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。整個模型的仿真時間設(shè)置為2 s,并采用standard求解方式。另外,在模型的單一齒尖部位施加了1.3 105N的恒定載荷。由此,建立了齒環(huán)座的強(qiáng)度分析模型。
通過開展齒環(huán)座仿真分析,得到了其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化云圖,如圖3所示。由圖可知,在齒環(huán)座上單一輪齒的根部發(fā)生了較大程度的應(yīng)力集中,其最大應(yīng)力值為23.4 MPa,主要集中在齒根的前端位置,其他部位的應(yīng)力也由齒根向齒頂部位呈無規(guī)律的逐漸減小趨勢;同時,在齒環(huán)座的中部通孔處也出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中。由此可知,齒環(huán)座的輪齒根部成為整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位,在其結(jié)構(gòu)長期使用中,極容易率先發(fā)生疲勞失效現(xiàn)象。
圖3 齒環(huán)座應(yīng)力變化圖
通過仿真分析,得到了齒環(huán)座的結(jié)構(gòu)位移變化圖,如圖4所示。由圖可知,齒環(huán)座使用中,在其輪齒頂部發(fā)生了較大程度的結(jié)構(gòu)變形,其最大變形位移為0.001 12 mm,小于破碎機(jī)設(shè)計手冊中規(guī)定的0.5 mm,滿足設(shè)計要求;且結(jié)構(gòu)變形由齒頂部位向齒根部位呈逐漸減小的變化趨勢,而齒環(huán)座的齒根部位幾乎未發(fā)生結(jié)構(gòu)變形。由此,找到了齒環(huán)座使用中的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律,雖其齒頂部位的變形量相對較小,但齒環(huán)座在使用中,仍需對其齒頂部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)保護(hù),避免因長時期作業(yè)或外部煤石的侵入而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)磨損或斷裂的失效故障。
圖4 齒環(huán)座結(jié)構(gòu)變形圖
結(jié)合上述對齒環(huán)座的強(qiáng)度分析研究可知,其結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象,在環(huán)境惡劣及長期運行過程中,極容易發(fā)生結(jié)構(gòu)的疲勞失效問題。因此,對其進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計,主要體現(xiàn)在以下幾點。
(1)針對其齒根出現(xiàn)的應(yīng)力集中問題,可將齒環(huán)座齒根最大集中應(yīng)力處的圓弧尺寸由原來的近似直角改為圓角,尺寸為R5 mm;同時,將齒根另一對稱側(cè)也改為R5 mm。
(2)針對齒環(huán)座齒頂出現(xiàn)的較大程度結(jié)構(gòu)變形問題,可將其齒頂尖部的作用面積增加,并將輪齒厚度增加2 mm,齒頂處的直角也改為圓角設(shè)計。
(3)為進(jìn)一步保障齒環(huán)座的使用安全,可將其材料改為40Cr材料,該材料的屈服強(qiáng)度為780 MPa,具有更好的韌性和耐磨性。
(4)在齒環(huán)座使用中,定時對其嚙合處添加潤滑油和清理嚙合處的煤灰,保障齒輪嚙合時具有較小的摩擦阻力;結(jié)合齒環(huán)座運行中出現(xiàn)的實際失效問題,可有針對性地對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)和維護(hù)保養(yǎng)。
由此,對齒環(huán)座進(jìn)行了改進(jìn)生產(chǎn)制作,并將改進(jìn)后的齒環(huán)座在PS0820型破碎機(jī)上進(jìn)行了將近5個月的應(yīng)用測試。在測試中,齒環(huán)座與最初結(jié)構(gòu)相比,齒頂?shù)哪p及變形程度明顯減小,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形嚴(yán)重、磨損嚴(yán)重或斷裂等故障的概率整體降低了近45%,破碎機(jī)設(shè)備因齒環(huán)座引起的無法正常運行情況也大大減少。改進(jìn)后的齒環(huán)座獲得了更好的使用效果,整體結(jié)構(gòu)具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用性能,能更好地保證破碎機(jī)的運行效率及作業(yè)安全,得到煤礦破碎機(jī)操作人員的一致認(rèn)可。
齒環(huán)座作業(yè)時出現(xiàn)的各類故障失效問題,已嚴(yán)重影響破碎機(jī)的工作效率及使用安全,加大對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析研究,已成為當(dāng)下企業(yè)重點考慮的方向。因此,以PS0820型破碎機(jī)上齒環(huán)座使用中存在的故障失效問題為基礎(chǔ),通過開展齒環(huán)座的強(qiáng)度分析研究,找到了其齒根處為結(jié)構(gòu)的薄弱部位、齒頂處極可能率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞等結(jié)果,由此得到了其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度變化規(guī)律,最終對齒環(huán)座進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計和現(xiàn)場實際應(yīng)用。改進(jìn)后的齒環(huán)座具有更好的結(jié)構(gòu)性能和作業(yè)安全,能更好地滿足破碎機(jī)的使用需求,這也為后期開展齒環(huán)座的進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計提供了重要參考和指導(dǎo)。