采煤機齒軌輪斷齒問題分析與改進研究

李 明

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦， 山西 方山 033100）

引言

由于采煤機的作業環境惡劣，例如采煤過程中采煤機周圍會彌漫著大量的粉煤灰以及行走機構受力多變等，使采煤機在工作過程中極易出現故障；齒軌輪作為驅動采煤機行走的重要傳動部件，一旦出現斷齒問題將導致整套采煤機不能正常運行，給煤炭企業帶來經濟損失，因此研究采煤機齒軌輪斷齒問題的分析與改進具有重要的意義[1-3]。

1 采煤機齒軌輪工作原理及斷齒問題分析

采煤機行走的動力來源是牽引電機，牽引電機輸出軸連接減速機構將動力傳輸至齒軌輪，齒軌輪與采煤機輸送機上的齒排嚙合，實現采煤機工作過程中的行走運動[4]。采煤機在采煤工作時要求其行走機構運行平穩、工作可靠、具有較長的使用壽命。齒軌輪齒斷裂問題實物圖如圖1 所示，采煤機在正常運行時突然發生，隨即采煤機原地徘徊不前，相關設備維護人員立刻對采煤機進行故障排查，發現齒軌輪齒出現斷裂，拆卸之后可以看出輪齒斷裂位置接近輪齒根部，斷裂形式為整齒斷裂。為了避免齒軌輪齒斷裂問題頻繁出現，有必要進行齒軌輪齒斷裂問題的分析，提出合理的改進方向，保證采煤機的可靠運行。

2 采煤機齒軌輪有限元仿真分析

齒軌輪破壞是采煤機常見故障，不僅影響采煤機的正常工作，也會給企業帶來不必要的經濟損失，因此對齒軌輪進行有限元分析具有重要的意義[5]。本文分析對象為齒軌輪和與其相互嚙合的傳動齒輪，能夠真實模擬齒軌輪的工作狀態，相較于單個輪齒的有限元分析更加先進。

2.1 齒軌輪三維模型的建立

依據MG300/700－WD 型采煤機齒軌輪的工程圖紙，運用ProE 三維繪圖軟件，建立了采煤機齒軌輪和與之嚙合齒輪的三維模型，完成了二者之間的裝配。為了避免出現齒軌輪三維模型導入ANASYS15.0 有限元分析軟件過程中出現不能完成識別的問題，建立齒軌輪三維模型時對齒軌輪倒角進行了簡化處理[6]。分析用的齒軌輪三維模型如圖2所示，下面為采煤機齒軌輪，上面為與之相互嚙合的傳動齒輪。

圖1 齒軌輪齒斷裂問題

圖2 分析用齒軌輪三維模型

2.2 齒軌輪仿真模型的建立

2.2.1 材料屬性設置

將齒軌輪三維模型導入ANASYS15.0 有限元分析軟件之后需要進行齒軌輪材料屬性的設置，實際齒軌輪材料牌號為18Cr2Ni4W，其主要性能參數如表1 所示。運用添加新材料的功能將18Cr2Ni4W 性能參數輸入仿真軟件中，之后添加給齒軌輪，完成齒軌輪材料屬性的設置。

2.2.2 網格劃分

齒軌輪模型網格劃分采用四面體類型，劃分網格過程中為了降低仿真計算的工作量、縮短仿真計算時間、不影響仿真計算的準確性，對齒軌輪接觸面進行了網格細化。網格化分完成統計得到節點總數為318 542，單元總數為202 076。網格化分之后的齒軌輪模型如下頁圖3 所示。

表1 齒軌輪材料參數

2.2.3 施加約束和載荷

齒軌輪和與其嚙合的傳動齒輪之間是嚙合相切關系，因此需要提取齒軌輪的齒廓面和與之嚙合傳動齒輪的齒廓面，組成一個接觸對，前者為源接觸面，后者為目標接觸面，接觸面之間的摩擦系數設置為0.15。之后根據齒軌輪實際的工作狀況設置兩個齒輪的約束關系，將齒軌輪內孔和與之嚙合傳動齒輪內孔均設置為圓柱約束，模擬它們與齒輪軸的配合關系；因兩個齒輪工作時處于同一個平面內且軸心線相互固定，故還要設置兩個齒輪內孔在軸向和徑向的唯一約束，最后僅僅保留齒軌輪和與之嚙合傳動齒輪在回轉中心線上的轉動自由度。

采煤機行走機構正常運行過程中，傳動齒輪驅動力矩主要來源于驅動電機，經計算得出傳動齒輪上的驅動力矩為76 765 N·m，因此需要在傳動齒輪內孔表面施加扭矩載荷，作為仿真模型的驅動。齒軌輪和與之嚙合的傳動齒輪相接觸，其同時承受齒輪軸的支撐約束、嚙合面之間的摩擦力、傳動齒輪提供的驅動力和與之嚙合齒排的阻力，因此施加載荷過程中還要對齒軌輪設置分型面，在交線處施加固定約束，用于模擬齒軌輪與嚙合齒排之間的相互作用。施加約束和載荷之后的齒軌輪如圖4 所示，在綠色箭頭所指位置施加圓柱約束和位移約束，在紫色箭頭所指位置施加驅動力矩載荷。

圖3 齒軌輪模型網格圖

圖4 施加約束和載荷的齒軌輪

3 齒軌輪仿真結果分析

在ANASYS15.0 有限元分析軟件中完成材料屬性設置、網格劃分、約束和載荷施加等前處理過程之后即可進行仿真計算，包括應力分析、應變分析、位移分析等。此處對齒軌輪進行應力分析，確定輪齒工作過程中的應力分布狀態，選擇Mises 等效應力分析。齒軌輪應力分析云圖如圖5 所示。

圖5 齒軌輪應力（Pa）分析云圖

由齒軌輪應力云圖可以看出其較大應力出現在兩個位置，一是齒軌輪和傳動齒輪嚙合位置，二是齒軌輪與齒排嚙合的位置，但是兩個位置的應力大小和分布狀態存在一定的差異。齒軌輪與傳動輪嚙合處最大應力為720 MPa，分布在嚙合線靠近齒頂的部分，最大應力小于材料的許用應力1 300 MPa；齒軌輪與齒排嚙合處最大應力為1 180 MPa，分布在嚙合線靠近齒根的部分，最大應力接近材料的最大許用應力1 300 MPa；由此可見，齒軌輪斷齒問題極易出現在齒軌輪與齒排嚙合位置且多發生在嚙合齒的齒根位置，與實際齒軌輪斷齒問題相符。產生斷裂的可能原因如下：第一齒軌輪材料內部存在微裂紋、夾雜等缺陷，形成裂紋源，在齒軌輪運行中受到較大載荷或過載時極易出現斷齒問題；第二是齒軌輪使用時間較長，由于其運行環境中存在較多的粉塵等顆粒物質，粘附在齒軌輪與齒排之間，增加了齒軌輪的磨損，當磨損量達到一定值時，輪齒的強度降低，當受到加大載荷或者過載時極易出現斷齒問題；第三是齒軌輪在長時間交變應力的作用下出現了疲勞斷裂。

4 采煤機齒軌輪改進建議

通過對齒軌輪的有限元分析，得到了齒軌輪工作過程中的應力分布云圖，分析了齒軌輪出現斷齒問題的可能原因，以此為依據提出以下改進建議：

1）齒軌輪制造過程中要嚴格控制齒輪材料的質量，在加工制造之前進行金相組織觀察，確定材料內部不存在微裂紋、夾雜等缺陷；齒軌輪制造完成之后應進行必要的無損檢測，確保齒軌輪的質量合格；

2）控制齒軌輪運行環境中粉塵含量，同時也可以設置防護裝置避免粉塵直接進入齒軌輪和齒排嚙合位置，降低齒軌輪運行過程中的磨損速率，延長其使用壽命；

3）定期對齒軌輪進行維護和保養，清除齒軌輪和齒排嚙合位置的污物，進行必要的潤滑，同時一旦發現齒軌輪輪齒異常及時進行齒軌輪的更換，避免采煤機因斷齒問題出現停機。