采煤機行走輪嚙合時的彎曲強度研究

郭澤東

（山西焦煤集團西山煤電有限責任公司白家莊礦業公司，太原 030000）

0 引言

近年來，隨著煤礦開采工程技術的持續進步，采煤機的整體性能也得到了巨大的提高。目前，大量采煤機的牽引系統仍然采用兩輪行走方式，其結構性能隨著現代設計技術的發展而顯得相對落后[1]。另外，采煤機幾十噸的自重和采煤作業時遇到的較大阻力，致使行走輪常常超負荷運轉，當其受到瞬間的沖擊時，常常會發生齒根折斷現象，這是最為常見且最為嚴重的行走輪失效形式[2]。這種現象可以從疲勞斷裂的角度加以解釋，行走輪在與銷排嚙合時，輪齒表面會產生較大的接觸應力，特別是當行走輪受到沖擊時會產生更大的接觸應力，當沖擊頻率過高，接觸應力大于材料的疲勞強度，在輪齒表面產生塑性積累和微觀裂紋，裂紋隨著載荷的作用而擴展，直至輪齒斷裂[3]。輪齒折斷后會造成采煤機行走機構的整體失效，對井下作業人員的安全造成威脅，也對生產造成較大的時間損失和經濟損失。因此，有必要開展行走輪輪齒在嚙合時彎曲強度計算的研究，使研究方法能夠為輪齒的設計與生產制造提供理論支持，也為其他類似產品的開發提供借鑒。

1 采煤機行走部結構及工作原理

采煤機行走部結構上由行走輪、銷排和導向滑靴構成。行走輪按輪齒輪廓的類型可分為漸開線行走輪和擺線行走輪，本文主要討論齒廓形狀為漸開線的行走輪。導向滑靴所起的主要作用是確保行走輪、銷排的正確嚙合，以此保證采煤機正確的行進路線，同時導向滑靴與行走輪鉸接承受采煤機的自重及一部分側向的工作載荷[4]。銷排通常按照節距分類，有146 mm和125 mm 2種。

采煤機的工作原理為：行走輪受到牽引箱的動力輸出而轉動，行走輪轉動而與固定銷排嚙合，使采煤機整機直線行走，其中行進路徑由刮板機的軌道決定。根據工作原理的描述可以看出，行走輪是這個局部系統的動力提供者，主要承受牽引拉力；銷排與行走輪嚙合，主要承受采煤機的自重和牽引載荷；導向滑靴需承受采煤機自重和一部分側向工作載荷。

2 行走輪受力分析

本文研究對象為行走輪的齒根折斷現象，進行受力分析時也主要考慮行走輪的受力分析。已有文獻的研究表明，忽略安裝等現實因素的影響，行走輪所受載荷沿嚙合線均勻分布，分析時可用集中力代替且作用在嚙合線上任意一嚙合點即可[5-8]。嚙合點受力主要為垂直于齒面的法向力Fn，理論上可將法向力分解為2個相互垂直的分度圓切向力Ft和徑向力Fr，其中Ft為驅動行走輪運動的動力、Fr為上抬力。3個力之間的關系可表示為：

式中：Tn為牽引力矩，N·mm；d為分度圓直徑，mm；α為嚙合角。

3 行走輪彎曲強度仿真

本文以某型采煤機為例來說明行走輪輪齒的彎曲強度分析流程。其主要參數為：牽引輸出轉矩為42.4 kN·m；采煤機自重為39 t。按照第2節中行走輪載荷的計算公式，可得行走輪最大法向載荷為Fn=191.6 kN；分度圓切向載荷為Ft=181.3 kN；上抬力為Fr=66.4 kN。

3.1 行走輪模型建立

基于Solidworks三維建模軟件建立行走輪的三維模型，其建模參數如表1所示。

表1 行走輪尺寸參數

按照以上參數建立行走輪模型，如圖1所示。

圖1 行走輪三維模型

圖2 輪齒網格劃分

圖3 輪齒載荷及約束信息

3.2 材料參數、網格及載荷設置

行走輪材料選用18Cr，其彈性模量為210 GPa；泊松比為0.28；密度為7 910 kg/m3。根據研究目的，只需研究某一個輪齒的受力變形情況即可，因此對其中一個輪齒劃分網格，單元類型采用8節點Solid185單元，以保證計算結果的精確性，并在齒根接觸部位進行網格細化。最終單元數量為1 923個；節點數量為1 762個。網格劃分如圖2所示。

依據載荷計算結果在輪齒分度圓線上施加線載荷，對輪齒兩個側面及底面施加全約束，以模仿輪齒的實際情況，如圖3所示。圖中箭頭所指即為法向載荷在分度圓線上的載荷施加，兩側及底部為全約束。完成上述步驟后提交Ansys計算，獲得計算結果。

3.3 仿真結果分析

在Ansys后處理中查看輪齒的應力與應變情況，分別如圖4～5所示。由圖可知，齒頂尖端出現應力集中最大等效用力為1 556.5 MPa；提取其他應力如最大拉應力為443.2 MPa，出現位置在靠左側的齒根處；最大壓應力為548.9 MPa，出現在右側齒根；最大等效應變為0.359×10-6。從以上統計結果可以看出，齒尖發生了嚴重的應力集中，其值遠大于材料屈服應力630 MPa，這是由于施加分度圓線載荷，實際上是以集中載荷施加在相應位置的節點處。由于是集中力直接施加，勢必會引起失真的應力集中，因此齒尖的應力不作為參考。根據圣維南定理，齒根處的應力是真實可靠的。雖然齒根處的應力未大于材料屈服強度，但已較為接近，在長時間工作后容易在齒根表面產生塑性累積進而出現微裂紋，裂紋萌生、擴展導致齒根斷裂。

4 輪齒改進及效果分析

圖4 輪齒等效應力云圖

圖5 輪齒應變云圖

仿真分析結果表明，齒根斷裂是由于齒根處較大的應力引起的疲勞斷裂。在生產制造上，提高行走輪疲勞壽命可從以下幾個方面考慮：

（1）選用疲勞強度更好、更耐磨的材料，結合合理的熱處理方式，達到最佳工藝方案；

（2）可考慮增加行走輪、銷排的嚙合面積，加大齒根處的圓角半徑，使其更加圓滑地過度，以降低應力集中程度，從而提高疲勞壽命；

（3）盡可能地保證行走輪的制造加工精度，最大限度地保證每次行走都在規定的節距、中心距下，減少沖擊對行走輪輪齒壽命的影響；

（4）選擇轉換率更高、更易潤滑的軸承，減少由軸承帶來的行走輪輪齒受載不均。

采用以上改進思路，對輪齒進行了改進設計。為進一步驗證改進后輪齒的實際應用效果，將其在采煤機上進行了為期6個月的應用測試。在輪齒使用過程中，整體結構的變形程度有所降低，其齒頂、齒根等部位基本未出現較大程度的接觸面磨損或輪齒斷裂等故障現象，采煤機設備的運行穩定性也得到明顯提升。在測試期間，同期相比，采煤機因行走輪故障而產生的設備無法正常運行的頻率降低了將近60%，因此，改進后的行走輪部件得到了一致認可。

5 結束語

本文針對頻發的行走輪輪齒齒根折斷現象，提出用有限元手段來進行輪齒彎曲強度的分析。簡要介紹了行走部的構成，分析了行走輪輪齒的受力，并以某型采煤機為例來說明有限元計算輪齒彎曲強度的步驟及流程。通過有限元分析結果可知，齒根應力小于材料屈服強度，滿足靜強度要求，但齒根應力已較為接近屈服應力，并由此產生塑性累積與流動，最終形成微裂紋，造成輪齒的疲勞折斷。由此給出了相應的提高行走輪輪齒疲勞壽命的建議。本文提供的輪齒有限元分析方法及分析結果，可為行走輪的生產制造提供理論支持，也可供同類型產品研發借鑒。