基于接觸應力分析的采煤機行走輪的優化研究

王亞超

（同煤浙能麻家梁煤業公司， 山西 朔州 036000）

引言

隨著煤礦企業生產任務的加重，對采煤機運輸設備提出了更高的要求。采煤機行走機構對采煤機及時移動和工作物資調動的工作性能有較大的影響。目前采煤機行走機構結構類型較多，各大煤礦主要采用齒輪銷排型行走機構。該行走機構的齒輪受到工作負載、齒輪與軌道之間產生的接觸應力，導致齒輪受到壓應力或彎曲變形，在長時間的作用下會導致齒輪變形，影響采煤機輸送過程的安全性。運輸質量直接影響到了整個采煤過程的效率和經濟性[1]。由于采煤機工作環境惡劣，行走機構齒輪的齒面在長時間受到載荷作用下會形成金屬疲勞并產生磨損現象。采煤機自重達到幾十噸，齒輪容易突然發生折斷，導致使用壽命較短。目前我國采煤機行走機構齒輪的使用壽命一般為三個月，頻繁更換齒輪會導致整個采煤工作過程的停止，降低了煤炭的生產能力。因此有必要改善行走機構齒輪布置方式，提高其使用壽命，確保煤炭生產過程的采煤效率[2]。

1 行走輪工況受力的分析

1.1 采煤機整體受力

為精確地建立行走的齒面與路面之間結合的精確仿真模型，需要對采煤機工作工況進行分析。本文以西南地區某礦區所采用的MG200型采煤機為研究對象，MG系列采煤機主要由上海設計院開發設計，適用范圍廣泛。該型號采煤機的齒數為14個，每一個齒輪的節圓半徑為298.55 mm，兩齒輪間的間距為125 mm。

根據實際工況情況，考慮極限載荷狀況，將采煤機以剛體進行定義，分析其極限情況下的應力分析結果。如圖1所示為MG200型采煤機整體結構分析受力圖。此采煤機的受力分析，可為后期開展采煤機的行走輪的仿真分析提供理論基礎。

圖1 采煤機整體受力分析圖

圖 1 中：G為采煤機重力，F1～F3、N1～N3分別為前、后導向滑靴的約束，F4F5、N4N5分別為前、后支撐滑靴的約束力，F1x、F1y、F1z為前滾筒所受約束力，F2x、F2y、F2z為后滾筒所受約束力T1、T2為行走輪所受的牽引。

1.2 齒輪面受力分析

由于采煤機運輸物料時自重可達到幾十噸，并且受到工作地面所帶來的摩擦力作用，齒輪受到較大的沖擊，載荷齒輪面與工作軌道接觸時會受到較大的接觸應力，容易發生折斷[3]。通過綜合分析可知，造成齒輪面破損主要有兩種應力形式，第1種是齒輪面所受到的彎曲引力，可造成齒輪折斷，第2種是齒面與工作軌道的接觸載荷，在局部形成較大的接觸應力，會形成齒輪面的塑性變形和點蝕等破壞形式。以上兩種破壞形式都會造成齒面的破壞，進而對齒輪的壽命造成不利的影響，因此，可從這兩方面對延長齒輪使用壽命進行研究，降低工作載荷對齒輪齒面的破壞作用。齒輪面受力情況如下頁圖2所示。工作軌道的銷柱對齒輪的作用力為法線方向的F，可以分解為：行走輪的有效牽引力Ft和提升力Fr。

2 有限元分析

2.1 三維模型的建立

通過實際MG200型采煤機結構圖以及日常在運維過程中的行走示意圖，建立MG200型采煤機的三維模型，對一些不相干的零部件進行簡化，包括金屬板、滑扣等零散部件進行扣除，將這些部件的重量在新建的三維模型中進行重新配重，使其滿足實際的配重要求[4]。

圖2 輪齒受力示意圖

目前所采用的雙滾筒采煤機齒輪—銷行走機構是通過齒輪與銷之間黏合而成，通過齒輪與銷之間的約束力對采煤機行走限制，通過三維建模軟件Proe對軌道結構和齒輪黏合結構分別建模，如圖3、圖4所示。

圖3 軌道結構圖

圖4 齒輪黏合結構圖

2.2 仿真模型的建立

通過ABAQUS軟件對已建立的三維模型進行數據定義并設置邊界條件。由于行走齒輪的結構具有對稱性，只取其中一個齒進行局部的分析，定義齒面—銷部位的接觸參數，開展局部研究，可分析出整體結構齒的接觸應力分布情況。

材料屬性定義如下，根據實際現場情況得知材料一般為18Cr2Ni4W，彈性模量為2.2×1011Pa，泊松比為0.3，為確保仿真的精確性，將每一個有限元單元體定義為C3D8I六面體結構，對接觸面的局部網絡進行細致劃分，提高求解精度、最終結構單元總數為9076，對齒輪加載時應將兩側與底部對稱性施加載荷[5]，確保邊界條件的準確性。仿真模擬圖如圖5所示。

在定義接觸作用力的時候，應將主接觸面設置為齒輪，從接觸面設置為銷柱結構，設置邊界條件的時候，應將銷柱進行固定，對于齒輪一側預留一個自由度[6]。完成載荷定義與邊界條件設置之后，開展有限元仿真求解。

圖5 接觸應力模型網格示意圖

2.3 結果分析

如圖6所示，現有普通行走輪的齒輪在與銷排接觸后，其應力分布主要集中于齒輪的中部與根部，形成了應力集中現象，最大的接觸應力值為223.8 MPa，由于該齒輪的屈服強度為250 MPa左右并且應力集中現象發生在齒輪根部，因此在長時間的行走過后容易造成齒輪的金屬疲勞變形，從而發生折斷現象，為確保行走機構齒輪的安全穩定性，有必要對整體行走機構的設計進行優化。

圖6 接觸應力（MPa）模型網格示意圖

3 結構優化后結果的對比分析

為延長齒輪的使用壽命，可從以下幾個方面考慮：第一是從齒輪材料方面入手，變更材料提高抵抗疲勞強度；第二是減少其受到的外部載荷作用力。從經濟性方面考慮，采取減少外部作用力的優化手段，原有單排兩個行走機構，添加為單排四行走輪機構，如圖7所示。

圖7 四行走機構優化示意圖

通過增加行走輪的方式，可減小每一個行走輪齒輪的受力載荷，從而降低每個齒輪表面與銷排之間的接觸應力，使接觸應力在齒輪上分布更加的均勻。按照原有齒輪分布形式仿真過程的參數進行設置。分析其優化后四行走輪機構齒面的應力分布狀況。優化后應力分布示意圖如下頁圖8所示。

圖8 四行走輪優化后應力（MPa）分布示意圖

四行走輪機構所受到的最大接觸應力數值為112.4 MPa，遠遠小于材料的屈服強度，對原有結構的數值下降率為50%。通過四行走輪結構的優化有效地降低了齒輪面所受到的應力載荷，提高了行走機構的使用壽命，保障了采煤過程運輸的連續性，對于采煤量的大幅度提高有所保證。

4 結語

針對目前MG200型采煤機行走機構齒輪磨損情況嚴重以及使用壽命較低的現狀。采用有限元技術找到了目前齒輪面應力分布數值及薄弱環節，通過增加行走輪的方式對整體行走機構的使用壽命進行提升。為保證行走輪的對稱性，設計成四行走輪的優化方式，降低了齒輪面的應力載荷，有效提高了齒輪面的壽命，可以使行走輪的使用壽命提高一倍。雖增加了行走輪的數目，提高了成本，但延長使用壽命可使增加成本進行抵消，并且避免了不斷停工更換齒輪所帶來的工作間隙，提高了煤炭開采運輸效率，四行走輪機構更加適合煤炭采煤機使用，為今后采煤機運輸行走機構的研究提供了依據。