MG300/700 型采煤機銷軌輪結構強度的分析

張瑞軍

（大陽泉煤礦有限公司，山西 陽泉 045000）

引言

銷軌輪作為采煤機中的重要部件，主要起到傳遞轉動扭矩作用，以此驅動采煤機向前行走[1]。據統計，國內采煤機中銷軌輪的使用壽命一般在3 個月左右，其結構失效位置主要出現在齒頂及齒根等部位，一旦銷軌輪出現結構失效現象，則將嚴重影響采煤機的運行效率及運行安全[2]。為此，采用有限元分析方法，開展了MG300/700 型采煤機銷軌輪在使用過程中的結構應力及結構變形規律研究，并重點對銷軌輪進行了結構優化改進設計。這對提高銷軌輪的使用壽命具有重要指導意義。

1 采煤機結構的特點

MG300/700 型采煤機是市場上應用較為成熟的采煤設備，其結構總共包括主機架、截割電機、牽引電機、滾筒、機身、傳動箱、控制箱、液壓系統、端頭控制站、搖臂等[3]。其中，主機架采用了型材焊接方式進行固定連接，以保證機架具有較好的結構強度和剛性。而牽引機構則主要是利用銷軌輪與銷排進行無鏈牽引驅動，具有牽引力大、傳動轉矩高、運行平穩等特點，增加了采煤機在井下的適應性能。另外，采煤機中滾筒則采用了鎬型截割齒結構，可降低截割齒的損壞，延長滾筒的使用壽命，使其能對煤塊進行更好的開采。

2 銷軌輪與銷排的嚙合過程分析

銷軌輪作為采煤機中的關鍵部件，在與銷排進行嚙合時可理解為齒輪與直齒條之間的嚙合關系，在嚙合之后，在旋轉力矩的帶動下驅動采煤機按照直行方式進行運動。銷軌輪與銷排之間的嚙合示意圖如圖1 所示。

圖1 銷軌輪與銷排之間的嚙合示意圖

保證銷軌輪具有較長的使用壽命對保障采煤機的高效作業具有重要作用。銷軌輪在作業過程中常見的幾種失效形式有[4]：齒面磨損嚴重、輪齒開裂、輪齒斷裂等類型。其中，由于采煤過程中夾雜著較多的煤粉及雜質，經常會聚集在銷軌輪與銷排之間的嚙合區域，銷軌輪在較小空間下承受著較大的摩擦力，從而引起銷軌輪發生了較為嚴重的磨損現象。同時，銷軌輪在低速傳遞扭矩過程中會承受著較大的外界載荷作用，加上采煤機自身重量較重，致使銷軌輪的齒面會產生較大的接觸應力，一旦應力超過了其材料的屈服強度，將極容易使輪齒發生結構開裂或斷裂等失效現象，嚴重影響著采煤機的開采效率[5]。為此，有必要采用更加有效的方法對銷軌輪在使用過程中的結構性能進行分析研究。

3 銷軌輪結構模型的建立

3.1 三維模型的建立

為進一步分析銷軌輪在運行過程中的傳遞轉矩結構性能，采用了Solidworks 軟件對其進行結構三維模型建立。在建模過程中，主要對銷軌輪的輪齒、過渡圓、中部軸孔等特征進行了模型建立，其中，輪齒齒數為9，模數為40 mm，分度圓直徑為360 mm，省去了模型中的較小圓孔、螺栓孔、圓角、倒角等特征，以此提高整個模型的仿真精度和計算速度。整個模型按照1∶1 的模型比例進行建立。所建立的銷軌輪三維模型如下頁圖2 所示。

圖2 銷軌輪三維模型圖

3.2 仿真模型建立

在完成銷軌輪的三維模型建立后，采用了ABAQUS 軟件，對其進行了仿真模型建立。在建模過程中，首先將銷軌輪保存為x-t 格式后，導入至ABAQUS 軟件中。由于銷軌輪使用時采用的是40CrNiMo 材料，故在軟件中將其結構的材料屬性設置為了40CrNiMo 材料，其材料的彈性模型為2.11×105Pa，泊松比為0.3，摩擦系數為0.3，屈服強度為400 MPa[6]。同時，結合銷軌輪的結構特點，在對其進行網格劃分時，選用了Solid 實體單元類型和四面體網格類型，對其進行了網格劃分，網格大小設置為10 mm，并對模型的齒根區域進行了局部網格加密，如圖3 所示。另外，將銷軌輪中部及兩側均進行了自由度約束，中部軸孔處進行了旋轉約束，以實現對銷軌輪的全約束。由此，完成了銷軌輪仿真模型的建立。

圖3 銷軌輪網格劃分圖

4 結構強度分析

4.1 應力變化分析

結合所建立的銷軌輪仿真模型，得到了其結構的應力變化圖，如圖4 所示。由圖4 可知，銷軌輪整體結構出現了應力分布不均勻現象，銷軌輪的齒頂與齒根等區域均出現了較為明顯應力集中現象，其中，在銷軌輪與銷排接觸的單個輪齒上的應力最大，最大應力出現在齒頂區域，輪齒中部應力則相對較小，齒根及圓弧過渡處應力也相對更高。由此可知，銷軌輪若長時間在此工況下作業，容易率先在齒頂及齒根處發生結構開裂或斷裂的失效現象，銷軌輪輪齒一旦發生結構失效，將嚴重影響著采煤機的行進速度。為此，在使用時需重點關注銷軌輪的結構運行情況。

圖4 銷軌輪應力變化圖

4.2 結構變形分析

通過仿真分析，得到了銷軌輪的結構變形圖，如圖5 所示。由圖5 可知，銷軌輪整體結構出現了較為明顯的結構變形現象，最大變形主要集中在銷軌輪的齒頂及齒根部位，其中齒頂區域的變形量最大，沿著齒根方向，結構變形量呈減少趨勢，在齒根及過渡圓弧等區域的變形量也相對更高，由此可知銷軌輪的齒頂及齒根等區域是整個結構的薄弱部位，其結構變形規律與應力的基本相似，可判斷會率先在銷軌輪的齒頂及齒根區域發生結構失效現象，對采煤機的作業效率及安全性構成了重要威脅，需進一步進行優化改進研究。另外，銷軌輪與銷排之間的重合度對提高銷軌輪的結構性能及降低其結構變形具有重要影響。

圖5 銷軌輪的結構變形圖

5 銷軌輪結構改進

結合前文分析，可知銷軌輪在使用過程中，其齒頂及齒根等區域均出現了較為明顯的應力集中及結構變形現象，是整個結構的薄弱部位，嚴重影響著銷軌輪及采煤機的結構性能及開采效率，因此，針對銷軌輪的受力特點提出了幾點結構優化措施，具體如下：

1）根據銷軌輪的材料屬性特點，可選用屈服強度及彎曲強度更高的材料，如20Gr 材料，提高其材料的結構強度及剛度，增加結構的耐磨性；

2）在銷軌輪完成結構生產加工后，可對其結構進行表面的熱處理，包括對銷軌輪進行調質、淬火及噴丸等表明熱處理，以使銷軌輪表面產生更多的殘余壓應力，提高其結構的彎曲強度；

3）在尺寸及空間允許情況下，增加銷軌輪的齒輪寬度、輪齒高度及中心軸直徑，使得銷軌輪具有更高的結構強度；

4）在銷軌輪應力集中的附近，開設孔徑較小的圓孔，可使集中的應力能轉移至圓孔處，緩解銷軌輪上的應力集中現象；

5）定期對銷軌輪于銷排之間的嚙合處進行維護保養，添加潤滑油，定期清理嚙合處的煤灰等，保證銷軌輪與銷排之間具有較好的嚙合狀態，減少嚙合磨損程度。

6 結論

1）銷軌輪的齒頂及齒根等部位均是整個結構的薄弱部位，極容易率先產生結構失效現象，由此，從材料屬性、表面熱加工工藝、結構尺寸等方面提出了銷軌輪的結構優化改進措施。

2）將優化后的銷軌輪試運行1 年后發現，整個銷軌輪結構的強度更強，齒頂及齒根等區域未發生變形量及局部磨損現象，銷軌輪的整體結構壽命和作業安全性明顯提升。