PS0820型礦用破碎機齒環座強度分析

薄宇雷

（山西潞安集團潞寧煤業公司，山西忻州 036000）

0 引言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，越來越多的煤礦開采設備得到廣泛應用。礦用破碎機作為煤礦開采中的重要設備，憑借其高破碎效率、結構穩定可靠等特點，得到廣大煤礦行業的青睞[1]。齒環座作為破碎機中的關鍵部件，保證其具有較高的結構性能，實現破碎機的多碎少磨目標，已成為當下提高破碎機作業安全及作業效率的重要方向[2]。因此，以PS0820型破碎機上齒環座為研究對象，分析了其運行中出現的各類故障失效問題，通過建立齒環座的仿真模型，開展了其結構的強度分析研究，并對其結構改進及應用效果進行了分析，這對提高齒環座的結構性能具有重要作用，也能使破碎機更加廣泛地應用到煤礦作業中。

1 齒環座使用中存在問題

目前，煤礦領域中一般采用了雙齒輥破碎機類型，其結構主要由齒環座、電機、減速器、聯軸器、液力耦合器等部件組成，整套設備具有較好的煤礦開采破碎效果。但在其破碎機作業中，齒環座主要利用自身的剪切及擠壓作用，對煤石進行破碎作業[3]，導致齒環座作業中不可避免地出現了不同程度的磨損或損壞問題。

（1）磨損失效

在破碎機破碎礦石過程中，齒環座上的輪齒將與礦石間發生較大的擠壓與剪切作用，而此過程中將會遇到較硬的礦石，這將對輪齒表面造成較大的切痕，并產生局部磨損。隨著齒環座不間斷的長時間作業，致使切痕的磨損程度不斷增大，最終使輪齒表面發生了塑性變形，產生了嚴重的磨損失效現象[4]。

（2）熱疲勞磨損失效

隨著齒環座對礦石的不斷破碎與切削，使得輪齒與物料之間因相互摩擦而產生了較大的摩擦熱能，致使齒環座的作業溫度不斷上升；當物料與齒環座分離時，輪齒上的作業溫度又快速降低，齒環座表面溫度如此反復地發生變化，最終使其整體結構出現了熱疲勞磨損失效[5]。

（3）齒環座輪齒折斷失效

當齒環座遇到較為堅硬的礦石時，除了會對其結構表面造成嚴重的磨損外，還會使輪齒表面受到較大的沖擊載荷作用。隨著礦石硬度的增大，齒環座所受到的沖擊載荷也會相應增大，齒環座在此工況條件下長期作業，最終會使齒輪座輪齒產生折斷失效現象[6]。

因此，針對破碎機齒環座作業中出現的故障失效問題，有必要對其結構強度開展分析研究，找到其作業時受力的變化規律，以此保證其結構的可靠性及穩定性。

2 齒環座結構模型建立

2.1 三維模型建立

根據破碎機齒環座在作業中存在的失效問題，有必要對其結構強度開展分析研究。因此，根據PS0820型破碎機上齒環座的結構尺寸，采用Solidworks軟件，對其進行了三維模型建立。在軟件中，對齒環座上非關鍵的圓角、倒角、過渡圓弧等特征進行了模型簡化，僅保留了齒環座上關鍵的輪齒、斜面、頂部及根部等特征。由此，建立了齒環座的三維模型，如圖1所示。

圖1 齒環座三維模型圖

圖2 齒環座網格劃分圖

2.2 強度分析模型建立

結合建立的齒環座三維模型，將其導入ABAQUS軟件中，建立了結構的強度分析模型。齒環座實際使用中采用的ZGMn13材料具有較強的韌性和耐磨性，因此，在軟件中將其結構的材料設置為ZGMn13、泊松比為0.3、材料密度為7 850 kg/m3、楊氏模量為2.1 GPa、許用應力為440 MPa。同時，采用了四面體網格類型，對其進行了四面體網格劃分，網格大小設置為5 mm，最終的單元數量為14 556個，模型的網格劃分圖如圖2所示。整個模型的仿真時間設置為2 s，并采用standard求解方式。另外，在模型的單一齒尖部位施加了1.3 105N的恒定載荷。由此，建立了齒環座的強度分析模型。

3 齒環座結構強度分析

3.1 應力變化

通過開展齒環座仿真分析，得到了其結構的應力變化云圖，如圖3所示。由圖可知，在齒環座上單一輪齒的根部發生了較大程度的應力集中，其最大應力值為23.4 MPa，主要集中在齒根的前端位置，其他部位的應力也由齒根向齒頂部位呈無規律的逐漸減小趨勢；同時，在齒環座的中部通孔處也出現了一定程度的應力集中。由此可知，齒環座的輪齒根部成為整個結構的薄弱部位，在其結構長期使用中，極容易率先發生疲勞失效現象。

圖3 齒環座應力變化圖

3.2 結構變形

通過仿真分析，得到了齒環座的結構位移變化圖，如圖4所示。由圖可知，齒環座使用中，在其輪齒頂部發生了較大程度的結構變形，其最大變形位移為0.001 12 mm，小于破碎機設計手冊中規定的0.5 mm，滿足設計要求；且結構變形由齒頂部位向齒根部位呈逐漸減小的變化趨勢，而齒環座的齒根部位幾乎未發生結構變形。由此，找到了齒環座使用中的結構變形規律，雖其齒頂部位的變形量相對較小，但齒環座在使用中，仍需對其齒頂部位進行結構保護，避免因長時期作業或外部煤石的侵入而出現結構磨損或斷裂的失效故障。

圖4 齒環座結構變形圖

4 齒環座結構改進及應用效果分析

結合上述對齒環座的強度分析研究可知，其結構在使用過程中出現了一定程度的應力集中及結構變形現象，在環境惡劣及長期運行過程中，極容易發生結構的疲勞失效問題。因此，對其進行了改進設計，主要體現在以下幾點。

（1）針對其齒根出現的應力集中問題，可將齒環座齒根最大集中應力處的圓弧尺寸由原來的近似直角改為圓角，尺寸為R5 mm；同時，將齒根另一對稱側也改為R5 mm。

（2）針對齒環座齒頂出現的較大程度結構變形問題，可將其齒頂尖部的作用面積增加，并將輪齒厚度增加2 mm，齒頂處的直角也改為圓角設計。

（3）為進一步保障齒環座的使用安全，可將其材料改為40Cr材料，該材料的屈服強度為780 MPa，具有更好的韌性和耐磨性。

（4）在齒環座使用中，定時對其嚙合處添加潤滑油和清理嚙合處的煤灰，保障齒輪嚙合時具有較小的摩擦阻力；結合齒環座運行中出現的實際失效問題，可有針對性地對其結構進行保護和維護保養。

由此，對齒環座進行了改進生產制作，并將改進后的齒環座在PS0820型破碎機上進行了將近5個月的應用測試。在測試中，齒環座與最初結構相比，齒頂的磨損及變形程度明顯減小，結構出現變形嚴重、磨損嚴重或斷裂等故障的概率整體降低了近45%，破碎機設備因齒環座引起的無法正常運行情況也大大減少。改進后的齒環座獲得了更好的使用效果，整體結構具有更高的結構強度和使用性能，能更好地保證破碎機的運行效率及作業安全，得到煤礦破碎機操作人員的一致認可。

5 結束語

齒環座作業時出現的各類故障失效問題，已嚴重影響破碎機的工作效率及使用安全，加大對其結構強度的分析研究，已成為當下企業重點考慮的方向。因此，以PS0820型破碎機上齒環座使用中存在的故障失效問題為基礎，通過開展齒環座的強度分析研究，找到了其齒根處為結構的薄弱部位、齒頂處極可能率先出現結構破壞等結果，由此得到了其結構的強度變化規律，最終對齒環座進行了改進設計和現場實際應用。改進后的齒環座具有更好的結構性能和作業安全，能更好地滿足破碎機的使用需求，這也為后期開展齒環座的進一步改進設計提供了重要參考和指導。