采煤機(jī)行走輪與銷齒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究

韓建星

（山西焦煤霍州煤電呂梁山煤電有限公司， 山西 離石 033000）

引言

采煤機(jī)行走部的主要作用在于引導(dǎo)采煤機(jī)沿工作面刮板運(yùn)輸機(jī)中部槽進(jìn)行導(dǎo)向行走，其主要結(jié)構(gòu)包括行走傳動裝置、行走調(diào)速裝置以及行走機(jī)構(gòu)，其中行走機(jī)構(gòu)作為采煤機(jī)行走部的動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其在發(fā)生故障后將會導(dǎo)致整體采煤機(jī)停止運(yùn)行，進(jìn)而嚴(yán)重影響生產(chǎn)工作效率[1-2]。

基于上述因素，對采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究分析，確認(rèn)其關(guān)鍵部件中行走輪與銷齒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特點(diǎn)，進(jìn)而提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，保證行走部的高效穩(wěn)定運(yùn)行，將有著一定的現(xiàn)實(shí)價值。

1 采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

行走輪和銷齒結(jié)構(gòu)作為采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)的核心部件，當(dāng)前采煤機(jī)較為常用的行走輪分別為漸開線輪和擺線輪（見圖1），為保障行走輪的行走效果，需要在應(yīng)用中配置其相對應(yīng)的銷齒結(jié)構(gòu)。從銷齒結(jié)構(gòu)齒距方面來說，可將現(xiàn)有的采煤機(jī)銷齒結(jié)構(gòu)分為小節(jié)距銷齒結(jié)構(gòu)和大節(jié)距銷齒結(jié)構(gòu)兩種；從銷齒結(jié)構(gòu)形狀角度來說，可將銷齒結(jié)構(gòu)分為Ⅰ型銷齒結(jié)構(gòu)、Ⅱ型銷齒結(jié)構(gòu)和Ⅲ型銷齒結(jié)構(gòu)（見圖2）。

圖1 兩種采煤機(jī)常用行走輪示意圖

圖2 三種銷齒結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

2 采煤機(jī)行走輪與銷齒結(jié)構(gòu)仿真模型構(gòu)建

2.1 行走輪和銷齒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工況分析

采煤機(jī)行走部在行走時，行走輪與銷齒結(jié)構(gòu)之間會出現(xiàn)相互受力情況，此時齒輪的齒根彎矩受力最大，以至于齒輪齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。在標(biāo)準(zhǔn)齒輪共軛傳動中，若是齒輪嚙合位置處于齒輪頂端，那么將會導(dǎo)致齒輪嚙合區(qū)域的力臂達(dá)到最大值，但此時受力卻不是最大，因而彎矩也未達(dá)到最大值。此外結(jié)合現(xiàn)有研究成果可知，齒輪齒根所承受彎矩最大時，齒輪嚙合點(diǎn)將會處于齒輪嚙合區(qū)最高點(diǎn)位置[3]。

在行走部行走中，行走輪和銷齒結(jié)構(gòu)之間的嚙合主要屬于單齒嚙合，由于采煤機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境相對惡劣，使得齒輪嚙合點(diǎn)處于齒輪嚙合區(qū)最高點(diǎn)位置時的工作狀態(tài)極為不利。為能夠確定在不同工況下采煤機(jī)行走輪與銷齒結(jié)構(gòu)實(shí)際強(qiáng)度，研究中將會采用ANSYS 軟件開展強(qiáng)度有限元分析。具體分析過程中，結(jié)合行走輪和銷齒結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，將會設(shè)置以下三種工況。

1）齒輪嚙合中載荷施加在行走齒輪頂圓的切向方向上。此時齒輪受力主要為彎曲應(yīng)力，具體情況如圖3-1 所示。

2）齒輪嚙合中載荷施加在行走齒輪齒尖輪廓最高點(diǎn)壓力角上。此時齒輪受力主要包括彎矩和壓力兩種應(yīng)力，具體情況如圖3-2 所示。

圖3 兩種工況條件下受力示意圖

3）當(dāng)行走輪懸空，則兩個行走輪的載荷將會全部施加在一個對應(yīng)銷齒結(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)壓力角方向上。此時齒輪受力主要包括彎矩和壓力兩種應(yīng)力。

2.2 模型構(gòu)建流程

通過CAD 軟件構(gòu)建好行走輪和銷齒結(jié)構(gòu)模型后，將模型導(dǎo)入到ANSYS 有限元分析軟件中，在此過程中，主要需要進(jìn)行單元選擇和網(wǎng)格劃分兩種操作，具體操作流程如下：

1）單元選擇：在單元選擇階段，為避免因單元選擇不合理所引發(fā)的網(wǎng)格、載荷無法加載等問題，需要在具體單元選擇前對采煤機(jī)行走輪和銷齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面分析，進(jìn)而根據(jù)其物理特性和尺寸結(jié)構(gòu)合理選擇模型單元。據(jù)此，在綜合分析后，最終選用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體Solid45 單元，并且為保障有限元分析精準(zhǔn)性，行走輪和銷齒結(jié)構(gòu)均設(shè)置有近10 萬個單元。

2）網(wǎng)格劃分：由于有限元分析過程中實(shí)際計(jì)算規(guī)模相對較大，所以為避免因計(jì)算資源不足而引發(fā)軟件崩潰等問題，需要提前對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，具體劃分情況如圖4 所示[4]。

圖4 模型網(wǎng)格劃分圖

3 基于ANSYS 的采煤機(jī)行走輪與銷齒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

基于圖4 中網(wǎng)絡(luò)劃分模型，根據(jù)行走輪和銷齒結(jié)構(gòu)三種工況條件下受力情況，為模型施加載荷，然后通過ANSYS 軟件進(jìn)行有限元模型分析，進(jìn)而獲取到行走輪和銷齒結(jié)構(gòu)齒根部位最大應(yīng)力分布情況以及齒尖部位最大位移情況[5]。具體分析結(jié)果如圖5 所示（第一工況條件下）。

圖5 齒輪齒根部位最大應(yīng)力-應(yīng)變分布情況以及齒尖部位最大位移情況

如圖5 所示，在第一工況條件下，擺線輪和漸開線輪的齒輪齒根部位最大壓應(yīng)力分別為770 MPa 和730 MPa；齒輪齒根部位最大拉應(yīng)力分別為800 MPa和730 MPa；齒尖部位最大位移分別為0.674 mm 和0.657 mm。

第二工況、第三工況條件下的有限元分析過程與第一工況條件下有限元分析過程大致相同，具體有限元分析結(jié)果如下。

在第二工況條件下，擺線輪和漸開線輪的齒輪齒根部位最大壓應(yīng)力分別為900 MPa 和750 MPa；齒輪齒根部位最大拉應(yīng)力分別為730 MPa 和580 MPa；齒尖部位最大位移分別為0.598 mm 和0.520 mm。

在第三工況條件下，擺線輪和漸開線輪的齒輪齒根部位最大壓應(yīng)力分別為1 670 MPa 和1 350 MPa；齒輪齒根部位最大拉應(yīng)力分別為1 380 MPa 和1 030 MPa；齒尖部位最大位移分別為1.250 mm 和1.059 mm。

對三種工況條件下有限元分析結(jié)果進(jìn)行綜合分析后，最終獲取以下研究結(jié)果：

1）采煤機(jī)行走時，行走輪與銷齒結(jié)構(gòu)嚙合過程中，齒根部位的危險截面位置幾乎不會出現(xiàn)變化，并且無論是在何種工況條件下，齒根部位的最大壓應(yīng)力均會大于等于最大拉應(yīng)力。

2）在三種工況條件下，擺線輪的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均會大于漸開線輪的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力。

3）在第三工況條件下，擺線輪和漸開線輪齒根的最大壓應(yīng)力分別為1 670 MPa 和1 350 MPa，最大拉應(yīng)力分別為1 380 MPa 和1 030 MPa，但行走齒輪所采用材料的最大許用應(yīng)力為1 016 MPa，所以第三種工況條件下兩種行走齒輪的最大應(yīng)力均超過材料最大許用應(yīng)力，需進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

4 采煤機(jī)行走輪與銷齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化及實(shí)踐應(yīng)用

結(jié)合有限元分析結(jié)果可知，在三種工況條件中，當(dāng)前行走齒輪所采用的材料可以滿足第一種工況和第二種工況下的持續(xù)使用，但卻不符合第三種工況條件下的應(yīng)力要求，再加上采煤機(jī)所處工作環(huán)境較為惡劣，將會進(jìn)一步縮短材料使用壽命和綜合性能，所以應(yīng)采用強(qiáng)度更高的材料對當(dāng)前行走齒輪材料進(jìn)行替換?；诖死砟顚π凶啐X輪進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，并將改進(jìn)方案應(yīng)用到工程實(shí)際，開展為期6 個月的工程實(shí)踐分析。最終根據(jù)分析結(jié)果來看，在長達(dá)6 個月的工程實(shí)踐應(yīng)用過程中，采煤機(jī)行走輪并沒有出現(xiàn)較為明顯的故障情況，其有效保障采煤機(jī)的持續(xù)工作能力，所以此種改進(jìn)方案可以在后續(xù)行走輪改進(jìn)優(yōu)化中進(jìn)行參考應(yīng)用。

5 結(jié)論

1）采煤機(jī)行進(jìn)中，齒根部位的最大壓應(yīng)力均會大于等于最大拉應(yīng)力，并且此種情況不會受到工況條件因素的影響。

2）在三種工況條件下，擺線輪的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均會大于漸開線輪的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力。

3）在第三種工況條件下，現(xiàn)有的采煤機(jī)行走輪材料性能強(qiáng)度將無法滿足采煤機(jī)行走時應(yīng)力變化需求，所以需要進(jìn)行材料改進(jìn)。針對此種情況，在實(shí)踐中采用性能更強(qiáng)的材料對現(xiàn)有材料進(jìn)行替換，進(jìn)而有效提升采煤機(jī)行走輪整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，促使其可以滿足采煤機(jī)惡劣工作環(huán)境下的使用需求，延長使用壽命，保障采煤機(jī)工作持續(xù)性。