雙滾筒采煤機行走裝置優(yōu)化分析

王昌健

（鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 朔州 037200）

引言

行走裝置作為采煤機日常生產(chǎn)過程中移動往復的重要牽引裝置，對采煤機的安全高效生產(chǎn)至關重要。采煤機行走裝置多采用銷齒機構與導向滑靴設計，對平穩(wěn)性與可靠性有一定的提高，但是煤礦井下惡劣的工作環(huán)境與采煤機割煤時的巨大沖擊使采煤機行走裝置失效現(xiàn)象頻繁發(fā)生。傳統(tǒng)的行走裝置設計多采用經(jīng)驗法進行設計，該方法主觀性較強，無法保證參數(shù)的科學合理性。針對這一現(xiàn)象，本文對采煤機行走裝置進行了強度優(yōu)化分析，通過強化行走裝置強度減少裝置失效現(xiàn)象，提高設備使用率，提升企業(yè)經(jīng)濟效益。

1 行走裝置特點及存在問題分析

行走裝置主要由導向滑靴、齒輪系統(tǒng)、銷齒軌道以及行走輪四部分組成。行走裝置示意圖如圖1 所示。采煤機行走裝置主要是利用齒輪嚙合原理完成裝置行走的，行走輪與銷齒以及驅動軸齒輪相嚙合，驅動輪與驅動軸齒輪嚙合，銷齒與刮板輸送機連接，刮板輸送機通過驅動軸完成驅動輪的運動，驅動輪再通過驅動軸完成行走輪的運動，從而帶動行走裝置移動，完成采煤機的往復。導向滑靴通過鉸接方式與行走輪連接，保證嚙合穩(wěn)定，保證采煤機移動方向正確。其中，導向滑靴的主要作用為承受設備重力與設備運行時的各類載荷，并可保證設備移動的正確導向。

圖1 行走裝置示意圖

通過對過往的采煤機行走裝置失效數(shù)據(jù)分析，導向滑靴失效占比約為46%，行走輪失效占比約為40%，平滑靴失效約占比10%，其他占比4%[1-2]。由此可知，導學滑靴與行走輪是采煤機行走裝置的主要故障部位。其中，行走輪故障以斷翅為主要故障現(xiàn)象，又以齒輪扯斷最為嚴重，導向滑靴以撕裂為主要故障現(xiàn)象。行走輪是保障采煤機往復的關鍵部件，行走輪的失效會直接導致采煤機無法繼續(xù)運行，對采煤機運行至關重要。導學滑靴撕裂雖會導致設備偏載，導向能力下降，使齒輪嚙合由面接觸變?yōu)辄c、線接觸，但對設備運行影響非關鍵。

2 行走輪參數(shù)優(yōu)化分析

2.1 參數(shù)正交分析

行走輪是保證采煤機正常運行的關鍵部件，影響行走輪質量的參數(shù)主要包括銷齒中心距、齒輪齒數(shù)以及模數(shù)。本文采用正交法對行走輪裝置進行參數(shù)優(yōu)化分析，可有效保證行走輪參數(shù)合理，提高行走輪產(chǎn)品質量。

正交分析法是通過選取參數(shù)最優(yōu)組合，通過試驗分析得出最優(yōu)組合的相關參數(shù)進行研究分析，找出各因素的最優(yōu)搭配的一種方法，該方法高效、科學，較為適合本文的參數(shù)優(yōu)化。通過分析可知，齒數(shù)、模數(shù)以及中心距為質量的主要影響因素，行走輪接觸應力、彎曲應力以及銷齒的接觸應力為參數(shù)的主要評價指標，因素水平采用三水平法，齒數(shù)9、10、11，模數(shù)42、44、46，中心距295 mm、300 mm、305 mm，分別為1、2、3 三個水平。對行走輪參數(shù)進行正交法分析可得試驗結果如下頁表1 所示[2]。

表1 行走輪參數(shù)正交法分析試驗結果

2.2 結果分析

正交試驗的結果分析主要有直接比較法、方差分析法以及直觀分析法三種。其中，直觀分析法具有分析簡單、過程易于理解等特點，在正交試驗分析中應用最為廣泛。直接比較法可以較好的得出因素最優(yōu)組合以及相關規(guī)律，方差分析法可分析出因素水平最優(yōu)解[4-5]。由于本文需確定的主要是因素對指標影響的順序以及組合，故本文選用直接比較法與直觀分析法進行正交試驗結果分析。由于對三個因素三個水平分析共需27 種組合，數(shù)據(jù)分析較為復雜，故本文不考慮交互數(shù)據(jù)，只選擇9 個具有代表性的參數(shù)組合進行分析，其數(shù)據(jù)組合如表2 所示。

表2 代表組合數(shù)據(jù)

通過對行走輪參數(shù)正交法分析試驗結果進行直接對比分析可知，6 號與9 號數(shù)據(jù)分別為行走輪最大接觸應力的最小組與最大組，9 號與3 號為銷齒最大接觸應力最小組與最大組，7 號與3 號為行走輪最大彎曲應力的最小組與最大組。將三種應力進行擬合曲線分析可得擬合曲線圖，如圖2 所示。由圖2 可知，銷齒最大接觸應力與行走輪最大彎曲應力數(shù)據(jù)變化較為平穩(wěn)，可忽略這兩個指標。由表1 可知，6 號試驗的行走輪最大接觸應力最小，可選取該參數(shù)組合[6-7]。

圖2 三應力擬合曲線示意圖

運用直觀分析法首先應對A、B、C 三因素進行平均效果與極差計算，A 因素三個水平的平均效果分別為909.333、867.333、981.667，B 因素三個水平的平均效果分別為950、845.667、962.667，C 因素三個水平的平均效果分別為822.667、1 111.667、824。三個因素的極差分別為114.334、117、289[8-9]。

通過對A、B、C 三因素進行平均效果與極差行分析可得，三個主要影響因素中中心距影響最大，齒數(shù)影響最小，模數(shù)在中間。同時，行走輪參數(shù)三個影響因素三個水平的平均效果進行比較可知，A 因素3 水平平均效果最大，1 水平次之，2 水平最??；B 因素3 水平平均效果最大，1 水平次之，2 水平最??；C 因素2水平平均效果最大，3 水平次之，1 水平最小。由上述分析可知，A、B、C 三因素平均效果未呈現(xiàn)單調遞增趨勢。對三因素進行平均效果圖分析，如圖3 所示。

圖3 三因素平均效果圖

由圖2 可知，最佳數(shù)據(jù)組合應為A2B2C1，其行走輪接最大接觸應力為719 MPa 比同樣較為優(yōu)越的A2B3C1 組合的最大接觸應力731 MPa 更小。通過相關數(shù)據(jù)查詢可知，未進行參數(shù)優(yōu)化前行走輪的最大接觸應力為943 MPa，最大接觸應力顯著降低，符合相關設計要求。

3 結論

行走裝置作為采煤機往復運動的主要部件，對采煤機安全可靠運行至關重要。傳統(tǒng)的采煤機行走裝置設計多采用經(jīng)驗法進行設計，該方法主觀性較強，無法保證參數(shù)的科學合理性。針對這一現(xiàn)象，本文對采煤機行走裝置進行了強度優(yōu)化分析，通過研究分析得出了以下結論：

1）采用正交法對行走輪裝置進行參數(shù)優(yōu)化分析，可有效保證行走輪參數(shù)合理，提高行走輪產(chǎn)品質量。

2）行走輪故障以齒輪扯斷最為嚴重，會嚴重影響采煤機行走裝置運行，對采煤機生產(chǎn)運行至關重要。

3）通過三種應力擬合曲線分析可知，銷齒最大接觸應力與行走輪最大彎曲應力數(shù)據(jù)變化較為平穩(wěn)，可忽略兩個指標。

4）通過直接比較法與直觀分析法分析可知，行走輪參數(shù)最佳組合為A2B2C1，行走輪接最大接觸應力為719 MPa，性能優(yōu)于其他組合。與未進行參數(shù)優(yōu)化前行走輪最大接觸應力943 MPa 相比，最大接觸應力顯著降低，符合相關設計要求。