采煤機(jī)行走輪輪齒與銷齒嚙合的接觸強(qiáng)度研究

陳 彪

（山西潞安集團(tuán)蒲縣新良友煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041200）

引言

眾所周知，采煤機(jī)工況復(fù)雜且極其惡劣，現(xiàn)實(shí)中的使用情況說(shuō)明輪齒-銷排嚙合傳動(dòng)來(lái)保持采煤機(jī)直線運(yùn)行的方式存在許多的問(wèn)題，例如礦物巖粒等雜質(zhì)進(jìn)入嚙合區(qū)使，酸性液體進(jìn)入嚙合區(qū)，加之采煤機(jī)自身幾十噸的重量，使得嚙合時(shí)發(fā)生機(jī)構(gòu)失效成為常見(jiàn)的現(xiàn)象。嚙合時(shí)的接觸失效是其中一種最為常見(jiàn)的失效方式[1]。這可以從疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展的角度加以解釋，由于工作環(huán)境與采煤機(jī)自身重量過(guò)大，輪齒-銷排在嚙合傳動(dòng)時(shí)一方面要承受采煤機(jī)的自重，另一方面礦物顆粒進(jìn)入嚙合區(qū)也使得嚙合變得更加困難[2]。兩方面的因素將造成巨大的接觸應(yīng)力，同時(shí)由于嚙合是交變的，導(dǎo)致接觸應(yīng)力也是交變的，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)的交變接觸應(yīng)力作用后，齒面將在生產(chǎn)制造的表面微觀缺陷區(qū)域產(chǎn)生局部塑性及晶體滑移，隨著循環(huán)周次的增加，塑性變形增大將在局部產(chǎn)生微裂紋，微裂紋經(jīng)表面拉應(yīng)力的作用加速擴(kuò)展，導(dǎo)致齒面剝落嚴(yán)重甚至?xí)斐奢嘄X折斷[3]。輪齒折斷后會(huì)造成采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)的整體失效，對(duì)井下作業(yè)人員的安全造成威脅，也對(duì)生產(chǎn)造成較大的時(shí)間損失和經(jīng)濟(jì)損失。因此有必要開(kāi)展行走輪輪齒在嚙合時(shí)接觸強(qiáng)度計(jì)算的研究，使得研究方法能夠?yàn)檩嘄X的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造提供理論支持，也為其他類似產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 行走輪與銷排三維模型的建立

在進(jìn)行行走輪齒與銷齒的接觸分析之前，應(yīng)先建立二者的三維模型。文章以某型采煤機(jī)的漸開(kāi)線行走輪與銷排為例，基于Solidworks建立二者的三維模型。其中行走輪的三維建模參數(shù)如表1所示[4]。

表1 漸開(kāi)線行走輪參數(shù)

根據(jù)已有的漸開(kāi)線齒輪關(guān)系式及表1中的參數(shù)，對(duì)漸開(kāi)線行走輪進(jìn)行建模，模型如圖1所示。

根據(jù)節(jié)距尺寸，及現(xiàn)有的銷排結(jié)構(gòu)形式，建立節(jié)距為126 mm，數(shù)量為6個(gè)銷齒的銷排模型，其三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 行走輪漸開(kāi)線齒輪三維模型

圖2 銷排三維模型

2 漸開(kāi)線齒輪輪齒與銷齒的接觸強(qiáng)度仿真

2.1 接觸有限元模型的建立及材料信息

根據(jù)已經(jīng)建立的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys中，取一個(gè)漸開(kāi)線齒輪輪齒與銷齒的嚙合情況作為研究對(duì)象，在嚙合區(qū)域進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分，單元類型采用8節(jié)點(diǎn)Solid185單元以保證計(jì)算結(jié)果的精確性[5]。最終單元數(shù)量為3 564個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為2 581個(gè)。輪齒與銷齒嚙合有限元模型如下頁(yè)圖3所示。二者各自的材料信息設(shè)置為下頁(yè)表2。

2.2 接觸對(duì)創(chuàng)建

理想中行走輪輪齒與銷齒的接觸應(yīng)為線接觸，但實(shí)際工程中不存在線接觸，因?yàn)樵诮佑|后結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，最后都變成了面對(duì)面接觸。因此輪齒與銷齒的接觸也考慮為面對(duì)面接觸。在Ansys中考慮到二者材料相近，采用Conta175單元來(lái)定義二者間的接觸對(duì)，接觸對(duì)應(yīng)建立在二者間可能發(fā)生接觸的位置，Ansys會(huì)在后續(xù)計(jì)算中自動(dòng)判斷哪些接觸對(duì)生效并參與計(jì)算，即時(shí)刻跟蹤接觸運(yùn)動(dòng)。輪齒與銷齒的接觸對(duì)建立如圖4所示。

圖3 輪齒、銷齒嚙合有限元模型

表2 材料信息設(shè)置

2.3 載荷與邊界條件的加載

輪齒與銷齒嚙合時(shí)主要承受行走輪的轉(zhuǎn)矩作用，采煤機(jī)及其相關(guān)零部件確定后其輸出轉(zhuǎn)矩理論上為常值。在Ansys軟件中，不能直接對(duì)結(jié)構(gòu)施加轉(zhuǎn)矩，需通過(guò)施加節(jié)點(diǎn)等效載荷的方式來(lái)體現(xiàn)轉(zhuǎn)矩對(duì)于輪齒的驅(qū)動(dòng)。經(jīng)確定，行走輪所受轉(zhuǎn)矩為44.3 kN·m，將轉(zhuǎn)矩等效為面載荷均勻施加在軸孔接觸面上，根據(jù)圣維南定理這樣的等效是合理的簡(jiǎn)化，不會(huì)影響離軸孔較遠(yuǎn)處的接觸位置的應(yīng)力分布。在柱坐標(biāo)系下每個(gè)節(jié)點(diǎn)切向受力大小的計(jì)算為：Fφ=由于二者嚙合時(shí)行走輪只傳遞扭矩，應(yīng)放開(kāi)軸向自由度而其它自由度應(yīng)限制，銷齒應(yīng)作全約束處理。載荷為及邊界條件加載后如圖5所示。

2.4 結(jié)果分析

完成上述步驟后即可獲得銷齒與輪齒的接觸強(qiáng)度分析，結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出：輪齒與銷齒接觸面應(yīng)力最大，且從嚙合中心區(qū)到邊緣呈現(xiàn)逐步變大的趨勢(shì)，二者最大應(yīng)力都出現(xiàn)在嚙合線上的齒廓邊緣，最大應(yīng)力分別為389.1 MPa、272.5 MPa。理論上都沒(méi)有超過(guò)材料的屈服應(yīng)力但這個(gè)位置的輪齒折斷等現(xiàn)象又經(jīng)常發(fā)生。與實(shí)際情況一致，輪齒折斷的現(xiàn)象是由疲勞引起的，即使齒廓邊緣應(yīng)力未超過(guò)材料屈服應(yīng)力，但表面磨損、加工粗糙的地方形成微裂紋，循環(huán)作用后會(huì)在裂紋尖端形成塑性區(qū)，塑性區(qū)內(nèi)微裂紋繼續(xù)萌生，最終形核并在載荷的作用下進(jìn)行擴(kuò)展，最終造成斷裂的現(xiàn)象。這也說(shuō)明了分析結(jié)果是正確可靠的。在后續(xù)改進(jìn)時(shí)，應(yīng)注重輪齒及銷齒的疲勞性能的提高從而達(dá)到預(yù)防輪齒斷裂的目的。

圖4 輪齒與銷齒面面接觸對(duì)的建立

圖5 載荷及邊界條件的施加

圖6 輪齒銷齒嚙合接觸應(yīng)力分析結(jié)果

3 改進(jìn)方案

1）選用疲勞強(qiáng)度更好、更耐磨的材料，結(jié)合合理的熱處理方式，達(dá)到最佳工藝方案；

2）因?yàn)閼?yīng)力集中位置出現(xiàn)在齒廓邊緣的部分，在加工時(shí)應(yīng)盡可能地采用修緣措施，減少應(yīng)力集中；

3）盡可能地保證行走輪的制造加工精度，最大限度地保證行走的每次行走都在規(guī)定的節(jié)距、中心距下，減少?zèng)_擊對(duì)行走輪輪齒壽命的影響；

4）文章分析的微傳統(tǒng)的兩輪行走輪的嚙合情況，可考慮四輪機(jī)構(gòu)進(jìn)一步減小每個(gè)行走輪的受力情況，降低應(yīng)力，提高壽命。

4 應(yīng)用效果

根據(jù)此改進(jìn)方案，將行走輪輪齒進(jìn)行了實(shí)際加工及在采煤機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。在行走輪和銷排長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的運(yùn)轉(zhuǎn)中，其整體結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)磨損或斷裂現(xiàn)象，有效避免了原有結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，且兩部件的齒頂和齒根部位嚙合程度相對(duì)較好，結(jié)構(gòu)的耐磨性能得到了較大程度的提高。按照此規(guī)律推測(cè)，與原有的行走輪及銷排相比，改進(jìn)后的兩個(gè)部件結(jié)構(gòu)整體使用壽命將會(huì)提高將近3倍左右，也會(huì)使采煤機(jī)設(shè)備的故障率降低約30%，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)，將會(huì)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。由此可說(shuō)明：采用此研究及改進(jìn)思路，可有效提高行走輪及銷排的結(jié)構(gòu)性能。