采煤機牽引部鏈輪的仿真分析

滿仲鵬

(太重煤機有限公司， 山西 太原 030032)

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·試驗研究·

采煤機牽引部鏈輪的仿真分析

滿仲鵬

(太重煤機有限公司， 山西 太原 030032)

牽引部零件鏈輪是整個采煤機中重要的受力零件，是采煤機牽引部傳動系統(tǒng)中最后一級齒輪零件，通過鏈輪嚙合刮板運輸機的銷軌使采煤機牽引，它是極其易損零件，因此研究它的受力分析有著非常現(xiàn)實和重要的意義。利用NX8.5軟件建立三維理想模型，采用有限元分析方法對鏈輪進行結(jié)構(gòu)強度分析和校核，得出分析結(jié)果與鏈輪實際工作受力情況較吻合，可為鏈輪優(yōu)化設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。

采煤機；鏈輪；NX8.5軟件；三維理想模型；有限元分析；結(jié)構(gòu)強度

電牽引采煤機中的牽引傳動部分別布置在采煤機采空區(qū)一側(cè)的兩端。牽引部內(nèi)有牽引電動機、兩級直齒傳動和兩級行星機構(gòu)，牽引電動機輸出的動力經(jīng)減速后，傳到行走輪組件的鏈輪，使其與刮板輸送機的銷軌相嚙合，鏈輪的轉(zhuǎn)動就驅(qū)動采煤機沿著工作面輸送機向左(或向右)運行[1].鏈輪與銷軌的正確嚙合，是由外牽引上的導(dǎo)向靴來保證。牽引部設(shè)計要求尺寸緊湊，而且傳動系統(tǒng)復(fù)雜，鏈輪轉(zhuǎn)動時所承受的載荷大，因此設(shè)計時根據(jù)采煤機設(shè)備的特點采用有限元分析方法，在鏈輪受力最大的工況下分析其受力情況，以滿足采煤機井下實際工況要求，實現(xiàn)采煤機在工作面的正常運行。

1 采煤機牽引部鏈輪的有限元分析

1.1 幾何模型

幾何模型是在NX8.5軟件建模環(huán)境下按照實際尺寸1∶1建立三維理想模型，根據(jù)實際情況將花鍵處簡化成以分度圓為直徑的柱體，并與驅(qū)動輪裝配到位。見圖1，圖2.

1.2 材料特性的確定和網(wǎng)格劃分

本文主要對采煤機牽引部關(guān)鍵部件鏈輪組件進行有限元分析，其中鏈輪與驅(qū)動輪緊密配合。其材料屬性見表1：

圖1 鏈輪幾何模型圖

圖2 鏈輪驅(qū)動輪簡化裝配模型圖

將鏈輪與驅(qū)動輪三維幾何模型直接應(yīng)用到NX8.5高級仿真模塊中，設(shè)置材料屬性；然后對其進

表1 材料屬性表[2]

行網(wǎng)格劃分，而網(wǎng)格劃分是進行有限元分析的基礎(chǔ)，直接影響有限元分析的結(jié)果。本文中鏈輪與驅(qū)動輪均采用3D四面體(10節(jié)點)進行智能網(wǎng)格劃分[3]，其中將鏈輪與銷排嚙合的一對齒網(wǎng)格劃分密點。網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖3，圖4.

圖3 鏈輪網(wǎng)格劃分圖

圖4 鏈輪組件裝配網(wǎng)格劃分圖

1.3 邊界條件及載荷施加

采煤機在采煤過程中，通過鏈輪與銷排的嚙合轉(zhuǎn)動使整個機身牽引，由于該有限元仿真為靜力分析，所以鏈輪與銷排嚙合的齒做面對面接觸。鏈輪花鍵處傳遞扭矩，用面對面黏合。鏈輪內(nèi)孔只有純剪切力產(chǎn)生，將鏈輪內(nèi)孔做銷釘約束，只釋放旋轉(zhuǎn)。銷排連接孔與刮板輸送機刮板槽鉸接，也做銷釘約束。

本文采煤機牽引速度為恒定的7.7 m/min，鏈輪的輸出切向力為375 kN，由于驅(qū)動輪和鏈輪的分度圓直徑不同，計算得驅(qū)動輪受到的切向力為325 kN.

2 有限元結(jié)果分析

在NX8.5軟件高級仿真模塊下對采煤機鏈輪組件前處理的相關(guān)參數(shù)設(shè)置全部完成后，進行求解分析，本文采用默認的求解器求解。

對采煤機牽引部鏈輪組件進行有限元模型求解，在后處理中能夠得到包括位移、應(yīng)力應(yīng)變、反作用力等和全部的或各個方向的變形。鏈輪等效位移云圖和等效應(yīng)力云圖，見圖5，圖6.

1) 等效位移云圖。

圖5顯示，采煤機鏈輪組件的最大變形為0.686 mm，且發(fā)生在鏈輪組件驅(qū)動輪嚙合瞬間位置，由此可見，采煤機在割煤時，驅(qū)動輪輪齒容易造成磨損，這就要求采煤機在左、右牽引時做到同步行走，同時應(yīng)注意觀察或及時更換，避免造成對牽引部及整機的損壞。

圖5 鏈輪組件等效位移云圖

2) 等效應(yīng)力云圖。

采煤機牽引部鏈輪與銷排嚙合過程中的受力分析見圖6.由圖6可以看出，此時鏈輪的最大應(yīng)力產(chǎn)生在齒面嚙合處，其值為980.62 MPa，由表1可知，小于該處材料的屈服強度1 080 MPa，最大應(yīng)力小于其材料的許用應(yīng)力，滿足強度要求。而齒根處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，由圖可知最大應(yīng)力在570 MPa左右，遠小于其材料的許用應(yīng)力，也滿足強度要求，此方案是可行的。

3 改進措施

根據(jù)以上對鏈輪有限元的分析結(jié)果，可以對其進行強化，具體措施如下：

1) 改善鏈輪材質(zhì)，使用特殊高性能合金鋼代替原鏈輪材料，其抗拉強度、延伸率和沖擊功的參數(shù)都大于原有材料。

2) 改進熱處理工藝，淬硬層厚度增加，可增強鏈輪的接觸強度和彎曲強度。

3) 修正鏈輪齒形，在鏈輪分度圓直徑不變的情況下，使齒頂和齒根部更加平滑過渡，可以提升鏈輪

與銷軌嚙合效果，提高鏈輪使用壽命。

4 結(jié) 語

本文主要利用NX8.5軟件對采煤機牽引部關(guān)鍵零件鏈輪在采煤機處于牽引工作狀態(tài)時進行分析。得出如下結(jié)論：

1) 分析結(jié)果與鏈輪實際工作受力情況比較吻合，設(shè)計人員在進行采煤機傳動部和鏈輪組件設(shè)計時，可根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合相應(yīng)的試驗、測試以及鏈輪的材料進行強度校核，計算出其安全系數(shù)，必要時對牽引部和鏈輪結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進或加強。

2) 由于鏈輪是采煤機中極易損壞的零件，此類易損件都可以通過有限元分析對其進行強度校核，從而判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，找出危險截面，再進行改進和優(yōu)化，可以縮短開發(fā)周期，減少不必要的試驗，節(jié)約費用及人力物力，減輕采煤機的故障率，實現(xiàn)高產(chǎn)高效，保證客戶效益最大化[4]. 有限元分析是一種非常高效的輔助設(shè)計手段，可為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供強有力的理論依據(jù)。

[1] 程居山，王昌田，李新平.礦山機械[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1997：6-11.

[2] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005:30-35.

[3] 朱崇高，謝?？?UG NX CAE基礎(chǔ)與實例應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010:71-76.

[4] 杜 偉.基于NX6.0采煤機搖臂高級仿真[J].煤礦機械，2009(9)：60-61.

Simulation Analysis of Chain Wheel in Shearer Hauled-part

MAN Zhongpeng

The sprocket of the traction part is the important force parts of shearer, and is the last-stage gear parts in drive system of the shearer traction department. Shearer is drawn by pin-track of sprocket engages scraper conveyor. It is extremely fragile parts, so study of the force analysis has a very real and important significance. The NX8.5 software is used to establish the 3D ideal model. The finite element analysis method is used to analyze and check the structural strength of the sprocket. It finds that the analysis result is in good agreement with the actual working force of the sprocket, which can provide theoretical basis for sprocket design.

Coalcutter; Chain wheel; NX8.5 software; Three-dimensional ideal model; Finite element analysis; Structural strength

2016-06-03

滿仲鵬(1980—)，男，山西大同人， 2008年畢業(yè)于中北大學(xué)，碩士研究生，工程師，主要從事煤機設(shè)計方面的工作

(E-mail)koki98@126.com

TD421

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1672-0652(2016)07-0029-03