采煤機(jī)滾筒行星減速機(jī)構(gòu)齒輪接觸強(qiáng)度分析與改進(jìn)

楊偉君

（華陽(yáng)集團(tuán)南莊煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

滾筒作為采煤機(jī)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，其直接進(jìn)行落煤工作，服役條件極為復(fù)雜，出現(xiàn)故障的幾率較高[1-2]。行星減速機(jī)構(gòu)作為滾筒動(dòng)力放大和傳遞的主要結(jié)構(gòu)，受力情況苛刻，是決定采煤機(jī)正常工作的必要條件，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的關(guān)注[3-4]。雖然滾筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不斷提升，但是仍然有一部分傳統(tǒng)采煤機(jī)被應(yīng)用，某企業(yè)服役中的采煤機(jī)滾筒行星減速機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了異響嚴(yán)重問(wèn)題，影響了采煤機(jī)的工作效率[5-6]。因此，針對(duì)某型號(hào)采煤機(jī)滾筒行星減速機(jī)構(gòu)齒輪運(yùn)行異響嚴(yán)重、壽命偏低的問(wèn)題，借助ANSYS 有限元仿真計(jì)算軟件，開(kāi)展采煤機(jī)滾筒行星減速機(jī)構(gòu)齒輪接觸強(qiáng)度分析與改進(jìn)工作具有重要意義。

1 滾筒采煤機(jī)結(jié)構(gòu)及存在的問(wèn)題

某企業(yè)服役中的滾筒采煤機(jī)為電力牽引型，主要由牽引機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、截割機(jī)構(gòu)和輔助控制機(jī)構(gòu)組成。牽引機(jī)構(gòu)為采煤機(jī)的行走機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力來(lái)源，牽引采煤機(jī)滑靴使其沿滑軌動(dòng)作；截割機(jī)構(gòu)用于支撐和控制截割滾筒，實(shí)現(xiàn)煤炭截割路徑和動(dòng)力的控制；輔助控制機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)采煤機(jī)功能實(shí)現(xiàn)的操控，確保其可靠完成落煤運(yùn)煤功能。采煤機(jī)近期工作時(shí)滾筒行星減速機(jī)構(gòu)存在明顯的異響，啟動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)換向時(shí)最為嚴(yán)重，存在明顯的間隙。

2 采煤機(jī)減速機(jī)構(gòu)齒輪接觸強(qiáng)度仿真分析

2.1 三維模型建立

通過(guò)查閱采煤機(jī)隨機(jī)圖紙，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪數(shù)據(jù)，運(yùn)用Pro/E 軟件完成了行星減速機(jī)構(gòu)三維模型的建立。為了提高模型導(dǎo)入ANSYS 仿真計(jì)算軟件時(shí)的準(zhǔn)確度，對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，省略了不影響分析結(jié)果的倒角等特征。

2.2 材料屬性設(shè)置與網(wǎng)格劃分

將另存為.igs 格式的行星機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入ANSYS 仿真計(jì)算軟件進(jìn)行材料屬性設(shè)置，齒輪材料牌號(hào)為42CrMo，材料屬性參數(shù)如下：密度為7 850 kg/m3，屈服強(qiáng)度為987 MPa，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.28。完成材料屬性設(shè)置，啟動(dòng)自由劃分網(wǎng)格按鈕，即可完成行星機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分。

2.3 載荷和接觸施加

行星減速機(jī)構(gòu)額定扭矩為64 200 N·m，結(jié)合其實(shí)際工作狀況，安全系數(shù)取1.1，計(jì)算得出行星減速機(jī)構(gòu)輸入轉(zhuǎn)矩為70 620 N·m。通過(guò)ANSYS 仿真計(jì)算軟件設(shè)置齒輪嚙合位置為面-面接觸，接觸類(lèi)型為柔體-柔體接觸，接觸剛度為1.0，靜摩擦系數(shù)為0.1，采用Splitting-pinball 接觸搜索算法，采用Augmented Lagrangian 法施加接觸約束。

2.4 分析結(jié)果

完成采煤機(jī)滾筒行星減速結(jié)構(gòu)接觸強(qiáng)度分析前處理工作之后啟動(dòng)ANSYS 仿真計(jì)算軟件內(nèi)部自帶的求解器進(jìn)行仿真分析，計(jì)算結(jié)束觀察太陽(yáng)輪工作過(guò)程中嚙合齒的應(yīng)力分布云圖和變形分布云圖，如下頁(yè)圖1 和下頁(yè)圖2 所示。

圖1 太陽(yáng)輪嚙合齒應(yīng)力（Pa）分布云圖

圖2 太陽(yáng)輪嚙合齒位移（m）分布云圖

由下頁(yè)圖1 太陽(yáng)輪嚙合齒應(yīng)力分布云圖可以看出，行星機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓應(yīng)力并未出現(xiàn)在齒輪嚙合面上，而是出現(xiàn)在嚙合齒的齒根位置，最大應(yīng)力數(shù)值為953 MPa，除此之外的其他位置應(yīng)力數(shù)值較小。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是行星機(jī)構(gòu)工作工程中太陽(yáng)輪嚙合齒的受力狀態(tài)為懸臂梁，即使嚙合載荷出現(xiàn)在齒高中線位置，其承載位置依然集中在齒根部位，故而太陽(yáng)輪齒根位置出現(xiàn)最大應(yīng)力。相較于齒輪材料的屈服強(qiáng)度987 MPa，采煤機(jī)滾筒行星減速機(jī)構(gòu)中太陽(yáng)輪嚙合齒的最大應(yīng)力與其較為接近，因滾筒進(jìn)行煤炭截割過(guò)程中的受力情況較為復(fù)雜，存在較大的載荷波動(dòng)，工作過(guò)程中存在沖擊載荷，僅僅26 MPa 的安全裕度顯示不足以保證行星減速機(jī)構(gòu)的安全可靠工作，加劇行星減速機(jī)構(gòu)齒輪嚙合位置的磨損，產(chǎn)生嚙合間隙之后將會(huì)產(chǎn)生異響，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)出現(xiàn)齒輪斷裂破壞，有必要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

基于上述懸臂梁受力狀態(tài)，觀察圖2 太陽(yáng)輪嚙合齒位移分布云圖可以看出，太陽(yáng)輪工作時(shí)的最大變形出現(xiàn)在嚙合齒的齒頂位置，最大變形量為0.198 mm，相較于整個(gè)行星減速機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸較小，不會(huì)影響整個(gè)減速機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行，可以忽略不計(jì)。

3 采煤機(jī)減速機(jī)構(gòu)齒輪改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 改進(jìn)策略

常見(jiàn)減速器齒輪接觸強(qiáng)度不足問(wèn)題的改進(jìn)措施包括以下幾種：第一是更換力學(xué)性能更好的齒輪制備材料，采用高強(qiáng)度合金鋼；第二是優(yōu)化齒輪制備過(guò)程中的熱處理工藝，如調(diào)質(zhì)處理、滲碳滲氮等；第三是改善齒輪使用環(huán)境和條件，降低齒輪工作過(guò)程中的磨損及沖擊強(qiáng)度。綜合以上齒輪接觸強(qiáng)度改進(jìn)措施，結(jié)合采煤機(jī)滾筒行星減速機(jī)構(gòu)實(shí)際工作狀況，確定選擇改善齒輪使用環(huán)境的改進(jìn)策略，實(shí)施簡(jiǎn)單方便，具有很好的可操作性。

3.2 具體方案

現(xiàn)場(chǎng)觀察及調(diào)研發(fā)現(xiàn)，采煤機(jī)滾筒行星減速機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑條件極差，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工人講述，減速機(jī)構(gòu)所用潤(rùn)滑油的更換周期為1 次/年，運(yùn)用濾紙檢驗(yàn)潤(rùn)滑油的質(zhì)量時(shí)發(fā)現(xiàn)其中含有大量的細(xì)鐵削及油泥，極不利于行星減速機(jī)構(gòu)的正常潤(rùn)滑，不僅加劇了行星減速機(jī)構(gòu)嚙合齒之間的摩擦磨損，而且降低了減速機(jī)構(gòu)的使用壽命甚至出現(xiàn)斷裂事故。基于上述實(shí)際情況，制定了具體的改進(jìn)措施，增加行星減速機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑次數(shù)，由1 次/年改進(jìn)為4 次/年。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證改進(jìn)方案的實(shí)施效果，將其應(yīng)用于某煤炭企業(yè)服役中的采煤機(jī)滾筒行星減速機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑當(dāng)中，跟蹤記錄半年時(shí)間內(nèi)行星減速機(jī)構(gòu)的工作情況。結(jié)果表明，滾筒行星減速機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)異響等情況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，增加行星減速機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑油的更換次數(shù)之后，降低了滾筒行星減速機(jī)構(gòu)6～10 dB的運(yùn)行聲噪，相同時(shí)間內(nèi)行星減速機(jī)構(gòu)齒輪嚙合位置的磨損量減少了近6%，行星減速機(jī)構(gòu)的使用壽命將會(huì)延長(zhǎng)近4.5%，降低了采煤設(shè)備投入成本，預(yù)計(jì)為企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近150 萬(wàn)元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。