采煤機滾筒行星減速機構齒輪接觸強度分析與改進

楊偉君

（華陽集團南莊煤炭集團有限責任公司，山西 陽泉 045000）

引言

滾筒作為采煤機結構中的關鍵部件，其直接進行落煤工作，服役條件極為復雜，出現故障的幾率較高[1-2]。行星減速機構作為滾筒動力放大和傳遞的主要結構，受力情況苛刻，是決定采煤機正常工作的必要條件，現已引起了煤炭行業的關注[3-4]。雖然滾筒結構強度不斷提升，但是仍然有一部分傳統采煤機被應用，某企業服役中的采煤機滾筒行星減速機構運行時出現了異響嚴重問題，影響了采煤機的工作效率[5-6]。因此，針對某型號采煤機滾筒行星減速機構齒輪運行異響嚴重、壽命偏低的問題，借助ANSYS 有限元仿真計算軟件，開展采煤機滾筒行星減速機構齒輪接觸強度分析與改進工作具有重要意義。

1 滾筒采煤機結構及存在的問題

某企業服役中的滾筒采煤機為電力牽引型，主要由牽引機構、行走機構、截割機構和輔助控制機構組成。牽引機構為采煤機的行走機構提供動力來源，牽引采煤機滑靴使其沿滑軌動作；截割機構用于支撐和控制截割滾筒，實現煤炭截割路徑和動力的控制；輔助控制機構主要實現整個采煤機功能實現的操控，確保其可靠完成落煤運煤功能。采煤機近期工作時滾筒行星減速機構存在明顯的異響，啟動和轉動換向時最為嚴重，存在明顯的間隙。

2 采煤機減速機構齒輪接觸強度仿真分析

2.1 三維模型建立

通過查閱采煤機隨機圖紙，結合現場測繪數據，運用Pro/E 軟件完成了行星減速機構三維模型的建立。為了提高模型導入ANSYS 仿真計算軟件時的準確度，對模型進行了適當簡化，省略了不影響分析結果的倒角等特征。

2.2 材料屬性設置與網格劃分

將另存為.igs 格式的行星機構三維模型導入ANSYS 仿真計算軟件進行材料屬性設置，齒輪材料牌號為42CrMo，材料屬性參數如下：密度為7 850 kg/m3，屈服強度為987 MPa，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.28。完成材料屬性設置，啟動自由劃分網格按鈕，即可完成行星機構網格劃分。

2.3 載荷和接觸施加

行星減速機構額定扭矩為64 200 N·m，結合其實際工作狀況，安全系數取1.1，計算得出行星減速機構輸入轉矩為70 620 N·m。通過ANSYS 仿真計算軟件設置齒輪嚙合位置為面-面接觸，接觸類型為柔體-柔體接觸，接觸剛度為1.0，靜摩擦系數為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 分析結果

完成采煤機滾筒行星減速結構接觸強度分析前處理工作之后啟動ANSYS 仿真計算軟件內部自帶的求解器進行仿真分析，計算結束觀察太陽輪工作過程中嚙合齒的應力分布云圖和變形分布云圖，如下頁圖1 和下頁圖2 所示。

圖1 太陽輪嚙合齒應力（Pa）分布云圖

圖2 太陽輪嚙合齒位移（m）分布云圖

由下頁圖1 太陽輪嚙合齒應力分布云圖可以看出，行星機構進行動力傳動時產生的壓應力并未出現在齒輪嚙合面上，而是出現在嚙合齒的齒根位置，最大應力數值為953 MPa，除此之外的其他位置應力數值較小。出現上述現象的主要原因是行星機構工作工程中太陽輪嚙合齒的受力狀態為懸臂梁，即使嚙合載荷出現在齒高中線位置，其承載位置依然集中在齒根部位，故而太陽輪齒根位置出現最大應力。相較于齒輪材料的屈服強度987 MPa，采煤機滾筒行星減速機構中太陽輪嚙合齒的最大應力與其較為接近，因滾筒進行煤炭截割過程中的受力情況較為復雜，存在較大的載荷波動，工作過程中存在沖擊載荷，僅僅26 MPa 的安全裕度顯示不足以保證行星減速機構的安全可靠工作，加劇行星減速機構齒輪嚙合位置的磨損，產生嚙合間隙之后將會產生異響，嚴重時將會出現齒輪斷裂破壞，有必要進行改進設計。

基于上述懸臂梁受力狀態，觀察圖2 太陽輪嚙合齒位移分布云圖可以看出，太陽輪工作時的最大變形出現在嚙合齒的齒頂位置，最大變形量為0.198 mm，相較于整個行星減速機構的結構尺寸較小，不會影響整個減速機構的正常運行，可以忽略不計。

3 采煤機減速機構齒輪改進設計

3.1 改進策略

常見減速器齒輪接觸強度不足問題的改進措施包括以下幾種：第一是更換力學性能更好的齒輪制備材料，采用高強度合金鋼；第二是優化齒輪制備過程中的熱處理工藝，如調質處理、滲碳滲氮等；第三是改善齒輪使用環境和條件，降低齒輪工作過程中的磨損及沖擊強度。綜合以上齒輪接觸強度改進措施，結合采煤機滾筒行星減速機構實際工作狀況，確定選擇改善齒輪使用環境的改進策略，實施簡單方便，具有很好的可操作性。

3.2 具體方案

現場觀察及調研發現，采煤機滾筒行星減速機構的潤滑條件極差，據現場工人講述，減速機構所用潤滑油的更換周期為1 次/年，運用濾紙檢驗潤滑油的質量時發現其中含有大量的細鐵削及油泥，極不利于行星減速機構的正常潤滑，不僅加劇了行星減速機構嚙合齒之間的摩擦磨損，而且降低了減速機構的使用壽命甚至出現斷裂事故。基于上述實際情況，制定了具體的改進措施，增加行星減速機構的潤滑次數，由1 次/年改進為4 次/年。

4 應用效果評價

為了驗證改進方案的實施效果，將其應用于某煤炭企業服役中的采煤機滾筒行星減速機構潤滑當中，跟蹤記錄半年時間內行星減速機構的工作情況。結果表明，滾筒行星減速機構運行平穩，未出現異響等情況。統計結果顯示，增加行星減速機構潤滑油的更換次數之后，降低了滾筒行星減速機構6～10 dB的運行聲噪，相同時間內行星減速機構齒輪嚙合位置的磨損量減少了近6%，行星減速機構的使用壽命將會延長近4.5%，降低了采煤設備投入成本，預計為企業新增經濟效益近150 萬元/年，取得了很好的應用效果。