滾筒采煤機牽引部銷軌輪強度的分析與優化

常晨雨

(山西西山煤電集團 屯蘭礦,山西 太原 030206)

0 引言

隨著我國煤礦綜采設備設計和制造能力的快速發展，綜采核心設備雙滾筒采煤機已廣泛應用于各大煤礦，其采高調整范圍大、截割效率高，可適應各種復雜地質條件下的高效煤炭開采。除負責煤巖切割的截割部外，牽引部是采煤機的另一核心功能單元。

牽引部位于采煤機采空區一側，在采煤機長度方向分為前后兩部分。在牽引部作用下，采煤機在縱向截割煤巖的同時產生橫向切割運動。目前常見的牽引形式包括銷軌式、鏈軌式等，其中，采用銷軌式牽引的牽引力大、運動平穩、制造難度低，因此被廣泛采用。但井下作業條件惡劣，尤其是綜采工作面，一方面，截割過程對機械設備的沖擊、振動比較明顯，另一方面，機械接觸位置容易出現粉塵、矸石等異物，且金屬零部件承受著高濕度、腐蝕性介質的破壞作用，因此牽引部的零部件易發生損壞，造成設備停機，嚴重影響煤礦的安全高效生產。

銷軌輪是牽引部的重要組成零件，其齒面所受載荷大、嚙合環境差，為提高銷軌輪的強度和使用壽命，保障采煤機的穩定運行，本文利用ABAQUS有限元分析軟件對銷軌輪的強度進行分析和優化[1-3]。

1 銷軌輪裝配與工作特點

圖1為銷軌輪的安裝示意圖。軌座等間隔焊接在中部槽的擋板槽幫上，兩軌座之間安裝一根銷軌排，從而在刮板輸送機采空區側形成銷軌軌道；銷軌輪安裝于導向滑靴內，在電機和齒輪驅動下發生轉動，并與銷軌排上的銷齒嚙合，驅動采煤機沿刮板輸送機的鋪設方向不斷移動。

采煤機自重主要由導向滑靴和支撐滑靴進行支撐，銷軌輪主要克服滾筒上的截割阻力和機身滑動部分的摩擦阻力。由于受煤巖軟硬和矸石分布影響，截割阻力波動性較大，因此銷軌輪輪齒與銷齒的嚙合過程并不穩定，齒面磨損嚴重，且易發生銷軌輪齒根折斷等故障。

圖1 銷軌輪的安裝示意圖

2 銷軌輪常見失效形式

采煤過程中，銷軌輪始終旋轉并與銷齒嚙合，其負載力矩大、使用環境差，因此實際使用中銷軌輪的主要失效形式有以下幾種：

(1) 銷軌輪輪齒折斷。一方面，截割過程遭遇矸石、金屬等硬物時，截割阻力發生較大跳躍，銷軌輪輪齒在沖擊載荷作用下易折斷；另一方面，銷軌軌道在刮板輸送機S彎處也呈現彎曲狀態，采煤機行經此處時機身強迫扭轉，銷軌輪由此發生受力偏載，可能引發銷軌輪輪齒折斷。

(2) 銷軌輪齒面塑性變形或剝落。由于采煤機截割阻力較大，因此銷軌輪與銷齒的嚙合屬于重載接觸，當接觸應力大于表層材料的屈服極限時，銷軌輪齒面將發生塑性變形破壞；另外，當銷軌輪齒面有明顯應力集中時，在循環載荷作用下，載荷較大位置易發生局部剝落。

(3) 銷軌輪齒面過度磨損。由于嚙合位置處于開放狀態，因此受多種腐蝕性液體侵蝕，另外，粉塵等異物易粘結在接觸表面，導致接觸條件變差，磨損加劇。

3 銷軌輪與銷齒接觸模型的建立

為進一步研究銷軌輪不同失效形式的發生機理，利用ABAQUS有限元軟件對其接觸位置的受力特性進行研究，從而為延長銷軌輪使用壽命、預防提前失效提供理論基礎。

由于銷軌輪與銷齒實際上僅有1個～2個齒發生嚙合，因此為節省計算資源，應對銷軌輪模型進行簡化。首先在UG中分別建立銷軌輪和銷齒的三維模型，銷軌輪模數為40 mm，齒數為9，齒寬為70 mm，壓力角為20°；銷齒為C型結構，斜面傾角為18°。然后將兩模型分別保存為IGS文件格式，再導入有限元分析軟件ABAQUS中，最后在該軟件中進行裝配和參數設置。得到的銷軌輪與銷齒嚙合三維模型如圖2所示。

圖2 銷軌輪與銷齒嚙合三維模型

在ABAQUS中分別設置銷軌輪和銷齒的材料參數。銷軌輪材質為20CrMnMo，其彈性模量E=205 GPa，泊松比μ=0.3，由于僅研究彈性變形即可，因此無需設置屈服極限等參數。為給銷軌輪施加驅動扭矩，需在其中心線上添加一處控制點，并與內孔表面進行耦合。根據實際生產經驗，在該點上施加6×107Nm的扭矩。將銷軌輪與銷齒按接觸位置關系進行裝配，保證表面發生接觸，然后設置接觸條件為“零摩擦，硬接觸”。最后，分別對兩零件進行網格劃分，可能的接觸位置應對其網格進行局部加密。

4 有限元分析結果

4.1 齒根彎曲應力分析

圖3為銷軌輪的Mises等效應力云圖。最大應力為1 071 MPa，位于與銷齒的嚙合接觸位置。使用ABAQUS中的QUERY工具，對齒根兩側的Mises等效應力進行查看，單個齒的受力類似于懸臂梁，嚙合作用力越大，齒根位置應力越大，在接觸區一側齒根應力為522 MPa，主要為拉伸應力；另一側為453 MPa，主要為壓縮應力。齒根兩側的應力均小于銷軌輪材質20CrMnMo的屈服應力885 MPa，因此銷軌輪在正常工況下不會發生折斷。

但是，當銷軌輪齒根部存在裂紋或者偏載明顯時，在齒根部將會出現應力集中現象，進而引發裂紋擴展，最終導致銷軌輪輪齒折斷。

圖3 銷軌輪Mises等效應力云圖

4.2 齒面接觸應力分析

圖4為銷軌輪齒面接觸區域的接觸應力分布云圖。接觸區域寬度約為4 mm，最大接觸應力為4 573 MPa，位于接觸區長度兩端，這主要由有限長圓柱體接觸區兩端的“邊緣效應”引起，最大接觸應力區域長度僅為5 mm左右；中部接觸區域的平均接觸應力為1 541 MPa。銷軌輪齒面經過淬火處理后，淬火硬度為HRC55～HRC58，對應的強度極限為2 100 MPa～2 300 MPa，深度為1.5 mm，中部接觸區域的平均接觸應力小于硬化層強度極限，滿足使用要求；邊緣處最大接觸應力明顯大于硬化層的強度極限，容易發生局部塑性變形和表層剝落，應對齒面進行修形，弱化或消除“邊緣效應”。

圖4 銷軌輪齒面接觸區域的接觸應力分布云圖

5 齒面形狀優化

為解決接觸區的“邊緣效應”問題，參考文獻[4-6]將齒寬截面形狀由直線形改為鼓形。通過分析計算，最佳鼓形量為0.05 mm。將原銷軌輪模型在UG中進行修改，通過掃掠切除方式對齒面進行修形，獲得鼓形量為0.05 mm的銷軌輪，然后導入ABAQUS中重新計算。

鼓形量為0.05 mm齒形的銷軌輪接觸應力云圖如圖5所示。由圖5可見，接觸區兩端的應力集中現象消失，在載荷力矩相同的情況下，接觸區的最大接觸應力降低至1 784 MPa，位于接觸區中部，無應力集中現象，接觸應力的數值變化較為緩和。此時的最大接觸應力小于銷軌輪齒面硬化層的強度極限，因此滿足使用要求，不會發生塑性變形和剝落。由此可知，鼓形齒齒面可顯著改善銷軌輪的接觸應力狀態，消除端部應力集中，提高銷軌輪使用壽命。

圖5 鼓形量為0.05 mm齒形的銷軌輪接觸應力云圖

6 結語

為提高采煤機牽引部中關鍵零件銷軌輪的強度和使用壽命，本文首先分析了銷軌輪的裝配和工作特點，然后對其常見失效形式進行分析，在此基礎上，利用UG和ABAQUS軟件建立了銷軌輪和銷齒的有限元分析模型，通過對銷軌輪根部Mises平均應力、嚙合區域接觸應力等的分析，發現銷軌輪齒根強度滿足要求，但嚙合接觸區兩端存在應力集中，需進行齒面修形改善。通過鼓形齒修形，可基本消除齒面接觸區的應力集中，降低最大接觸應力，從而提高銷軌輪的使用壽命。