采煤機(jī)行走輪與銷排接觸的動(dòng)力學(xué)分析

馬 鋒

（大同煤礦集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司梨園河煤礦， 山西 忻州 034000）

引言

煤層由各種巖類及礦石構(gòu)成，本質(zhì)上是各向異性的，即其在各個(gè)方向上表現(xiàn)出不同的物理機(jī)械性能，且這種各向異性是隨機(jī)的，難以預(yù)測(cè)。采煤機(jī)的向前掘進(jìn)由行走輪和銷排的不斷嚙合、分離來(lái)實(shí)現(xiàn)，采煤機(jī)在向前運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)時(shí)刻與不同機(jī)械物理性能的煤層接觸，使行走輪與銷排不斷承受沖擊載荷的影響，同時(shí)采煤機(jī)向前運(yùn)動(dòng)過程中煤塊卡堵軌道，使行走輪與銷排承受沖擊載荷的現(xiàn)象更加突出。這種沖擊載荷的幅值及頻率將嚴(yán)重影響到行走輪的使用壽命，在實(shí)際中行走輪由于承載沖擊載荷發(fā)生折斷的現(xiàn)象屢見不鮮。這可以從疲勞裂紋擴(kuò)展的方向加以解釋：行走輪和銷排嚙合時(shí)，齒根會(huì)產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)形成塑性形變的積累，其次齒根承受的接觸應(yīng)力多為拉應(yīng)力，而拉應(yīng)力有助于裂紋擴(kuò)展，使得齒根更容易發(fā)生折斷。目前對(duì)行走輪輪齒的仿真研究還停留在靜強(qiáng)度分析階段，即只能知曉某一時(shí)刻的輪齒應(yīng)力，而無(wú)法了解輪齒應(yīng)力的變化過程和疲勞的演變。針對(duì)這個(gè)問題，本章基于ANSYS/LS-DYNA軟件開展行走輪和銷排接觸應(yīng)力的顯示動(dòng)力學(xué)仿真，獲得了行走輪輪齒的接觸應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律，并對(duì)如何減小沖擊提出了建議[1-2]。

1 行走輪與銷排三維模型的建立

行走輪與銷排的三維結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，ANSYS軟件不利于構(gòu)建這種模型，因此文章基于SOLIDWORKS建立行走輪與銷排的三維模型。建模時(shí)，將對(duì)仿真結(jié)果影響不大的小特征去除，包括：倒角、圓孔等。將模型導(dǎo)入ANSYS，模型如圖1所示。

圖1 行走輪與銷排三維模型

2 行走輪與銷排仿真模型的建立

2.1 網(wǎng)格的劃分

選用SOLID185單元和SHELL163單元作為有限元模型的主要單元類型。采用ANSYS中智能網(wǎng)格劃分及掃略網(wǎng)格劃分的方法，指定單元尺寸為3 mm，最后模型總計(jì)包括34 581個(gè)單元，489 237個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖2所示。

圖2 行走輪和銷排有限元模型

2.2 材料的指定

行走輪內(nèi)圈、銷排底面指定為剛體，該區(qū)域只產(chǎn)生位移不產(chǎn)生變形。其他區(qū)域內(nèi)行走輪材料為20Gr，銷排材料為40Cr，兩種材料的物理特性參數(shù)見表1。

表1 行走輪和銷排材料屬性

2.3 接觸的定義

ANSYS/LS-DYNA軟件中接觸包含三類：點(diǎn)對(duì)面接觸、面對(duì)面接觸及單面接觸。根據(jù)行走輪與銷排的實(shí)際情況，選擇面對(duì)面接觸這種接觸類型，原因是該類型對(duì)于接觸面為復(fù)雜曲面、接觸面積大或者面對(duì)面之間相對(duì)滑移較大等多種情況具有較高的接觸仿真精度。指定行走輪齒根面為接觸面，銷排為目標(biāo)面。又由于行走輪與銷排在不斷的嚙合、分離過程中，因此指定二者間的面面接觸為動(dòng)態(tài)接觸，設(shè)定接觸過程中的靜摩擦系數(shù)為0.55，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.5。

2.4 載荷及約束的施加

實(shí)際上銷排固定于輸送機(jī)，因此在考慮銷排的約束時(shí)除了水平方向的平動(dòng)自由度，其他自由度全約束；對(duì)于行走輪除了繞軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度、豎直方向上的平動(dòng)自由度，其余自由度全約束。對(duì)行走輪軸心施加轉(zhuǎn)速1.05 rad/s，于銷排上施加行走輪所承受的電機(jī)扭矩為170 kN·m[3]。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 行走輪與銷排接觸特性

從仿真結(jié)果中提取行走輪扭矩曲線，行走輪與銷排接觸力的三向分力來(lái)描述二者間的接觸特性。曲線如圖3、圖4 所示。

圖3 牽引扭矩隨時(shí)間的變化

圖4 接觸力的三向分力隨時(shí)間的變化

從圖3中可以看出：在a、b、c、d四點(diǎn)分別發(fā)生了牽引力扭矩變化，可以判斷出造成a、c兩點(diǎn)扭矩變化的原因是嚙合節(jié)線的沖擊；b、d兩點(diǎn)牽引力扭矩變化的原因是輪齒嚙合沖擊，這和輪齒根部較易折斷的現(xiàn)象是符合的，說明了仿真結(jié)果的正確性。

從圖4中可以看出：仿真時(shí)假定了牽引力不變，因此輪齒在水平方向的分力應(yīng)與牽引力相等，在圖中顯示為一條直線；行走輪與銷排在豎直方向上的摩擦力為0，這是由于二者在豎直方向上沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)；最后可以得出結(jié)論，行走輪與銷排的接觸應(yīng)力主要由二者在Y向的摩擦產(chǎn)生。a、b、c、d四點(diǎn)時(shí)輪齒通過節(jié)線或進(jìn)入嚙合狀態(tài)，因此摩擦力的方向改變[4]。

3.2 行走輪接觸應(yīng)力分析

從仿真結(jié)果中提取一個(gè)嚙合面的接觸應(yīng)不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖，如圖5所示。其最大接觸應(yīng)力點(diǎn)接觸應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。

圖5 不同時(shí)刻的輪齒接觸應(yīng)力（Pa）云圖

圖6 嚙合面接觸應(yīng)力隨時(shí)間的變化

從圖5中可以看出：行走輪輪齒與銷排整個(gè)嚙合過程中，在接觸區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力較大，這是由行走輪與銷排間的摩擦力作用在接觸面上產(chǎn)生的應(yīng)力。圖6中顯示嚙合過程中接觸應(yīng)力最大為1 020 MPa，小于輪齒材料的屈服強(qiáng)度，可判定其強(qiáng)度合格[5]。

4 改進(jìn)方案

仿真分析結(jié)果表明輪齒嚙合接觸面接觸應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度，靜強(qiáng)度可靠，但應(yīng)力峰值已較為接近材料的屈服強(qiáng)度，在長(zhǎng)期受到這樣的交變接觸應(yīng)力后會(huì)造成接觸面點(diǎn)蝕、剝落，形成輪齒的疲勞斷裂，因此有必要針對(duì)輪齒的疲勞斷裂問題提出改進(jìn)方案。輪齒的疲勞主要受三個(gè)方面的影響：載荷、材料、結(jié)構(gòu)。具體方案為：

1）從載荷上來(lái)講接觸應(yīng)力與行走輪輪齒、銷排二者間的摩擦力有關(guān)，摩擦力大則接觸應(yīng)力大，可通過加入潤(rùn)滑劑、潤(rùn)滑油或?qū)嘄X進(jìn)行必要的表面處理，通過降低其表面粗糙度的方式來(lái)降低摩擦和接觸應(yīng)力；

2）從材料上來(lái)講，接觸應(yīng)力接近材料的屈服強(qiáng)度容易導(dǎo)致疲勞，因此可選用更高強(qiáng)度的材料來(lái)提高結(jié)構(gòu)的疲勞極限，預(yù)防疲勞斷裂的發(fā)生。另外，材料也影響著摩擦系數(shù)進(jìn)而影響摩擦力，因此考慮材料時(shí)可從摩擦系數(shù)和強(qiáng)度兩方面來(lái)考慮；

3）從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，可通過減小銷排的節(jié)距、優(yōu)化輪齒齒形等方式來(lái)增大嚙合過程中的重合度，減小嚙合沖擊、節(jié)線沖擊帶來(lái)的影響，降低接觸應(yīng)力。

5 結(jié)論

1）行走輪與銷排的接觸應(yīng)力主要由二者在徑向的摩擦產(chǎn)生；

2）齒面接觸應(yīng)力呈現(xiàn)部分區(qū)域應(yīng)力集中，總體上分布均勻的特點(diǎn)，應(yīng)力峰值雖小于材料屈服強(qiáng)度，但從接近程度來(lái)看容易引起齒根的疲勞斷裂。