采煤機行走機構關鍵零件的分析及改進

劉彬彬

（山西焦煤霍州煤電晉牛煤礦投資有限責任公司，山西 臨汾 041079）

引言

目前，綜采自動化技術發展迅速，采煤機的性能要求也越來越高，經過對相關文獻的研究，采煤機的故障主要出現在截割部和行走部。行走部由牽引部分和驅動裝置組成，相比于驅動裝置，牽引部分的故障率較高[1]。為了提高行走機構的可靠性，對行走機構的齒軌輪、銷軌和導向滑靴進行了建模和有限元分析，并對不滿足強度的零件進行了改進。

1 行走機構零件失效現象

采煤機由截割部、牽引部、中間箱和行走部組成，其中行走部的功能十分重要。在煤炭開采或非開采階段，行走部擔負不同的功能，煤炭開采過程中行走部的作用是使采煤機平穩移動，在不執行采煤任務時，行走部的作用是牽引采煤機完成地點轉移。采煤機齒軌輪、銷軌和導向滑靴是行走部的關鍵零件，各類失效問題使行走部出現主要故障[2-3]。采煤機的牽引裝置為齒軌輪銷齒結構，導向滑靴的作用是保證采煤機的平穩性。這種結構的特點是開式傳動，運行時沖擊載荷大，導致行走機構在惡劣環境下極易發生斷裂、磨損等故障。

2 行走機構零件分析（見表1）

表1 行走部關鍵零件失效形式

2.1 齒軌輪

齒軌輪是采煤機行走部的關鍵零件，一旦發生故障將導致采煤機停機，影響采煤效率。在采煤機運行過程中，即使齒輪軌所受到的載荷在設計強度的許用應力之內，也極易產生疲勞裂紋，這些裂紋的形成和擴散是瞬發性質的，無法預測發展情況。齒軌輪的失效主要表現為齒面磨損、齒輪斷裂和齒面塑性流動。由于齒軌輪為開式齒輪，在采煤機運行過程中，掉落在齒面的煤炭沙粒會使齒面磨損。低速重載運行時，當齒軌輪接觸面受到超過許用應力的力時就會產生塑性流動。行走部在采煤機自身重力和煤層壓力等重載因素的作用下，齒輪軌容易出現斷裂。

2.2 導向滑靴

導向滑靴的失效類型有滑靴磨損、滑靴斷裂、滑靴剝落、滑靴整體變形、滑靴腐蝕等，其中磨損和斷裂是發生頻率最高的現象。采煤機工作時會受到很大的彎矩，為了避免影響采煤機整體，導向滑靴需要增大軌道側面的正向壓力，銷軌軌道的煤炭沙粒在此軸向力的作用下成為了滑靴和軌道的磨料，銷軌和滑靴的間隙被放大，嚴重時將導致齒輪軌偏載[4-5]。為保證采煤機行走部的正常工作，刮板輸送機的底板在水平方向和垂直方向均設置了一定大小的彎曲角度。彎曲角度會隨著采煤機運行時間逐漸增大，當彎曲角度大到齒軌輪能夠通過時，導向滑靴底鉤和中部會斷裂。

2.3 銷軌

在采煤機運行過程中，銷軌的受力情況最復雜，包括牽引力、中立、導向滑靴側向力、銷軸支撐力等。簡要來說，在采煤機啟動階段，銷軌所受到的接觸應力和剪切力極大，啟動過程完成后，銷軌所受的主要是周期性的沖擊力[6]。在上述力的作用下，銷軌出現的失效有斷裂、磨損、變形等。

3 行走機構零件的改進

對于零件的改進，首先要對原有零件參數進行自身強度分析和疲勞分析，而對于齒軌輪和銷軌這種有接觸的零件，還應當增加接觸強度分析和接觸疲勞分析。本文采用的改進工作流程為：首先在SolidWorks軟件中建立采煤機行走機構關鍵零件的三維模型并對其受力進行分析；其次運用有限元法在ANSYS軟件中進行彎曲分析和強度分析，最后根據彎曲分析和強度分析結果，對于不滿足設計要求的參數進行修改，再次進行彎曲分析和強度分析，直到滿足設計要求[7-8]。

3.1 齒輪軌的改進

彎曲強度分析。在額定牽引力下，計算出齒軌輪的扭矩為68 kN·m，根據此扭矩算出單個齒的最大法向力Fn=370.29 kN、周向力Ft=347.96 kN、向心力Fr=126.65 kN，在ANYSY Workbench中對齒軌輪進行設置：使用材料18C2Ni4Wa，密度7 910 kg/m3，彈性模量2.02e+11，泊松比0.273，極限應力1 270 MPa，材料屬性設置完畢后用SEEP法進行網格劃分，設置載荷為370.29 kN。經過上述步驟后可以求得齒軌輪的彎曲強度分析結果：齒根和齒頂的應力集中，最大應力882.29 MPa，最大變形0.341 44 mm，屈服極限1 270 MPa，根據安全系數1.25計算許用應力小于屈服極限，強度分析合格。

彎曲疲勞分析。彎曲疲勞分析的結果在疲勞壽命圖和安全系數圖中體現，齒軌輪的壽命可達2.3e+06次，在齒頂和齒根形狀發生急劇變化的地方壽命最小，最小的安全系數小于1，因此齒輪軌的彎曲疲勞不滿足設計要求，容易出現疲勞失效。

接觸疲勞分析。齒軌輪與銷軌存在嚙合力，容易出現齒面膠合、齒面接觸疲勞，接觸疲勞分析和自身強度分析的過程類似，也需要設置材料屬性、網格劃分和載荷設置，增加的設置有目標面和接觸面設置、法向接觸剛度因子設置、最大滲透量設置。經過運算求解，接觸最大應力為727.36 MPa，屈服極限1 270 MPa，滿足設計要求。

經過對彎曲疲勞分析、彎曲強度分析、接觸疲勞分析分析后，針對不符合要求的彎曲疲勞分析進行改進。對于12齒和10齒，模數40和模數46.8的組合，8種情況進行了分析，最終確定模數46.8，齒數10為最優設計。

3.2 導向滑靴的改進

與齒輪軌的分析類似，得出導向滑靴的薄弱點在銷軸處，此處的集中應力最大，安全系數小于1。可采取的改進措施有：增大倒角半徑降低應力；采用等離子熔覆技術提高材料強度等。本文采用的改進方法為增大1 mm倒角半徑。

3.3 銷軌的改進

結合改進后的齒軌輪參數對銷軌進行分析，銷軌強度分析結果為銷軌的最大應力為259.39 MPa，材料屈服強度430 MPa，抗拉強度650 MPa，中部的最大變形為0.313 95 mm。疲勞分析結果：安全系數1.234 5，大于1。經過強度分析和疲勞分析，改進過的齒軌輪與銷軌配合滿足設計要求。

4 結論

改進后的零件的強度更強、壽命更長，可使采煤機行走機構的機械故障減少、采煤效率提升。