采煤機行走輪與銷排接觸的動力學分析

馬 鋒

（大同煤礦集團軒崗煤電有限責任公司梨園河煤礦， 山西 忻州 034000）

引言

煤層由各種巖類及礦石構成，本質(zhì)上是各向異性的，即其在各個方向上表現(xiàn)出不同的物理機械性能，且這種各向異性是隨機的，難以預測。采煤機的向前掘進由行走輪和銷排的不斷嚙合、分離來實現(xiàn)，采煤機在向前運動時會時刻與不同機械物理性能的煤層接觸，使行走輪與銷排不斷承受沖擊載荷的影響，同時采煤機向前運動過程中煤塊卡堵軌道，使行走輪與銷排承受沖擊載荷的現(xiàn)象更加突出。這種沖擊載荷的幅值及頻率將嚴重影響到行走輪的使用壽命，在實際中行走輪由于承載沖擊載荷發(fā)生折斷的現(xiàn)象屢見不鮮。這可以從疲勞裂紋擴展的方向加以解釋：行走輪和銷排嚙合時，齒根會產(chǎn)生較大的接觸應力，長時間后會形成塑性形變的積累，其次齒根承受的接觸應力多為拉應力，而拉應力有助于裂紋擴展，使得齒根更容易發(fā)生折斷。目前對行走輪輪齒的仿真研究還停留在靜強度分析階段，即只能知曉某一時刻的輪齒應力，而無法了解輪齒應力的變化過程和疲勞的演變。針對這個問題，本章基于ANSYS/LS-DYNA軟件開展行走輪和銷排接觸應力的顯示動力學仿真，獲得了行走輪輪齒的接觸應力隨時間的變化規(guī)律，并對如何減小沖擊提出了建議[1-2]。

1 行走輪與銷排三維模型的建立

行走輪與銷排的三維結構較為復雜，ANSYS軟件不利于構建這種模型，因此文章基于SOLIDWORKS建立行走輪與銷排的三維模型。建模時，將對仿真結果影響不大的小特征去除，包括：倒角、圓孔等。將模型導入ANSYS，模型如圖1所示。

圖1 行走輪與銷排三維模型

2 行走輪與銷排仿真模型的建立

2.1 網(wǎng)格的劃分

選用SOLID185單元和SHELL163單元作為有限元模型的主要單元類型。采用ANSYS中智能網(wǎng)格劃分及掃略網(wǎng)格劃分的方法，指定單元尺寸為3 mm，最后模型總計包括34 581個單元，489 237個節(jié)點。有限元模型如圖2所示。

圖2 行走輪和銷排有限元模型

2.2 材料的指定

行走輪內(nèi)圈、銷排底面指定為剛體，該區(qū)域只產(chǎn)生位移不產(chǎn)生變形。其他區(qū)域內(nèi)行走輪材料為20Gr，銷排材料為40Cr，兩種材料的物理特性參數(shù)見表1。

表1 行走輪和銷排材料屬性

2.3 接觸的定義

ANSYS/LS-DYNA軟件中接觸包含三類：點對面接觸、面對面接觸及單面接觸。根據(jù)行走輪與銷排的實際情況，選擇面對面接觸這種接觸類型，原因是該類型對于接觸面為復雜曲面、接觸面積大或者面對面之間相對滑移較大等多種情況具有較高的接觸仿真精度。指定行走輪齒根面為接觸面，銷排為目標面。又由于行走輪與銷排在不斷的嚙合、分離過程中，因此指定二者間的面面接觸為動態(tài)接觸，設定接觸過程中的靜摩擦系數(shù)為0.55，動摩擦系數(shù)為0.5。

2.4 載荷及約束的施加

實際上銷排固定于輸送機，因此在考慮銷排的約束時除了水平方向的平動自由度，其他自由度全約束；對于行走輪除了繞軸向轉動的自由度、豎直方向上的平動自由度，其余自由度全約束。對行走輪軸心施加轉速1.05 rad/s，于銷排上施加行走輪所承受的電機扭矩為170 kN·m[3]。

3 仿真結果分析

3.1 行走輪與銷排接觸特性

從仿真結果中提取行走輪扭矩曲線，行走輪與銷排接觸力的三向分力來描述二者間的接觸特性。曲線如圖3、圖4 所示。

圖3 牽引扭矩隨時間的變化

圖4 接觸力的三向分力隨時間的變化

從圖3中可以看出：在a、b、c、d四點分別發(fā)生了牽引力扭矩變化，可以判斷出造成a、c兩點扭矩變化的原因是嚙合節(jié)線的沖擊；b、d兩點牽引力扭矩變化的原因是輪齒嚙合沖擊，這和輪齒根部較易折斷的現(xiàn)象是符合的，說明了仿真結果的正確性。

從圖4中可以看出：仿真時假定了牽引力不變，因此輪齒在水平方向的分力應與牽引力相等，在圖中顯示為一條直線；行走輪與銷排在豎直方向上的摩擦力為0，這是由于二者在豎直方向上沒有相對運動；最后可以得出結論，行走輪與銷排的接觸應力主要由二者在Y向的摩擦產(chǎn)生。a、b、c、d四點時輪齒通過節(jié)線或進入嚙合狀態(tài)，因此摩擦力的方向改變[4]。

3.2 行走輪接觸應力分析

從仿真結果中提取一個嚙合面的接觸應不同時刻的應力云圖，如圖5所示。其最大接觸應力點接觸應力隨時間的變化曲線如圖6所示。

圖5 不同時刻的輪齒接觸應力（Pa）云圖

圖6 嚙合面接觸應力隨時間的變化

從圖5中可以看出：行走輪輪齒與銷排整個嚙合過程中，在接觸區(qū)域內(nèi)的應力較大，這是由行走輪與銷排間的摩擦力作用在接觸面上產(chǎn)生的應力。圖6中顯示嚙合過程中接觸應力最大為1 020 MPa，小于輪齒材料的屈服強度，可判定其強度合格[5]。

4 改進方案

仿真分析結果表明輪齒嚙合接觸面接觸應力小于材料屈服強度，靜強度可靠，但應力峰值已較為接近材料的屈服強度，在長期受到這樣的交變接觸應力后會造成接觸面點蝕、剝落，形成輪齒的疲勞斷裂，因此有必要針對輪齒的疲勞斷裂問題提出改進方案。輪齒的疲勞主要受三個方面的影響：載荷、材料、結構。具體方案為：

1）從載荷上來講接觸應力與行走輪輪齒、銷排二者間的摩擦力有關，摩擦力大則接觸應力大，可通過加入潤滑劑、潤滑油或對輪齒進行必要的表面處理，通過降低其表面粗糙度的方式來降低摩擦和接觸應力；

2）從材料上來講，接觸應力接近材料的屈服強度容易導致疲勞，因此可選用更高強度的材料來提高結構的疲勞極限，預防疲勞斷裂的發(fā)生。另外，材料也影響著摩擦系數(shù)進而影響摩擦力，因此考慮材料時可從摩擦系數(shù)和強度兩方面來考慮；

3）從結構上來講，可通過減小銷排的節(jié)距、優(yōu)化輪齒齒形等方式來增大嚙合過程中的重合度，減小嚙合沖擊、節(jié)線沖擊帶來的影響，降低接觸應力。

5 結論

1）行走輪與銷排的接觸應力主要由二者在徑向的摩擦產(chǎn)生；

2）齒面接觸應力呈現(xiàn)部分區(qū)域應力集中，總體上分布均勻的特點，應力峰值雖小于材料屈服強度，但從接近程度來看容易引起齒根的疲勞斷裂。