采煤機(jī)行走輪輪齒性能的優(yōu)化研究

劉 樂(lè)

（晉煤集團(tuán)晟泰公司機(jī)電安裝分公司， 山西 晉城 048000）

引言

采煤機(jī)是煤礦行業(yè)中非常重要的機(jī)械設(shè)備，隨著我國(guó)技術(shù)水平的發(fā)展目前采煤機(jī)的總裝機(jī)功率已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，且未來(lái)必然朝著智能化方向發(fā)展[1]。由于煤礦生產(chǎn)的環(huán)境相對(duì)比較惡劣，因此采煤機(jī)在工作時(shí)容易受到外界因素的干擾，容易加快機(jī)器設(shè)備的損壞，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)不正常破壞情況[2]。而行走機(jī)構(gòu)中的行走輪失效就是其中比較典型的情況，如行走輪輪齒出現(xiàn)突然斷裂、齒面出現(xiàn)非正常磨損等[3-4]。因此，針對(duì)采煤機(jī)行走輪輪齒嚙合問(wèn)題尚有很多工作需要做。

1 采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)和原理

行走部是采煤機(jī)中重要的結(jié)構(gòu)，其主要作用就是確保采煤機(jī)能夠沿著輸送機(jī)的中部槽進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而行走部中的行走機(jī)構(gòu)是其中主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)[5]。行走機(jī)構(gòu)是確保行走部按照既定路線運(yùn)動(dòng)的重要保障，如果行走機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障必然會(huì)影響整個(gè)采煤機(jī)的正常穩(wěn)定工作。因此，在采煤機(jī)中，要求行走機(jī)構(gòu)具備較好的運(yùn)行穩(wěn)定性。

行走機(jī)構(gòu)的基本工作過(guò)程可以描述為：一對(duì)相互嚙合的齒輪，其中主動(dòng)齒輪由傳動(dòng)箱的出軸驅(qū)動(dòng)，而從動(dòng)齒輪與行走輪直接連接，行走輪又通過(guò)齒輪與銷(xiāo)軌進(jìn)行嚙合，通過(guò)多個(gè)齒輪之間的嚙合傳動(dòng)將傳動(dòng)箱中輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成為采煤機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)[6]。行走輪與導(dǎo)向滑靴被安裝在相同的軸上，通過(guò)這種方式可以保障行走輪與銷(xiāo)齒之間嚙合的可靠性。其中，行走輪在工作過(guò)程中主要傳遞力矩確保采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)，而導(dǎo)向滑靴的作用主要是承擔(dān)采煤機(jī)的重量，同時(shí)進(jìn)行導(dǎo)向。

行走輪以及銷(xiāo)排銷(xiāo)軌均為行走機(jī)構(gòu)的重要構(gòu)成部分，就當(dāng)前的應(yīng)用情況而言，行走輪主要可以分為擺線輪和漸開(kāi)線輪兩類(lèi)。而根據(jù)節(jié)距的大小可以將銷(xiāo)軌大體上劃分成為小節(jié)距銷(xiāo)排和大節(jié)距銷(xiāo)排，根據(jù)銷(xiāo)齒的結(jié)構(gòu)形式可以將其劃分為I、Ⅱ和Ⅲ型銷(xiāo)齒。對(duì)于小節(jié)距銷(xiāo)排，主要采用前面兩種銷(xiāo)齒結(jié)構(gòu)，而大節(jié)距銷(xiāo)排則主要采用最后一種銷(xiāo)齒結(jié)構(gòu)。如圖1所示為行走機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式。

圖1 行走機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)

2 行走輪行走機(jī)構(gòu)的有限元分析

與理論分析方法相比較而言，有限元方法能夠更真實(shí)和直觀地反映行走機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中行走輪輪齒與銷(xiāo)排銷(xiāo)齒的接觸情況。這種方法可以忽略模型中部分條件的限制，比如不同形式的接觸形式和尺寸大小都能夠進(jìn)行分析計(jì)算。就當(dāng)前的發(fā)展來(lái)看，有限元方法已經(jīng)很成熟，在工程中得到了非常廣泛的應(yīng)用?；诖?，本文利用有限元方法建立采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)有限元模型，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的行走輪輪齒和銷(xiāo)排銷(xiāo)齒的接觸應(yīng)力進(jìn)行分析，最終實(shí)現(xiàn)走輪輪齒性能優(yōu)化之目的。

2.1 輪齒嚙合模型的建立

本文需要針對(duì)行走輪輪齒與銷(xiāo)排銷(xiāo)齒的接觸情況進(jìn)行模擬分析，因此需要用到有限元分析中的接觸分析模塊。具體建模過(guò)程可以描述為：

1）建立待分析對(duì)象的三維結(jié)構(gòu)模型，導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行診斷與修復(fù)；

2）對(duì)接觸進(jìn)行有效識(shí)別，對(duì)目標(biāo)面、接觸面進(jìn)行設(shè)置；

3）定義相關(guān)參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型的初始條件和邊界條件進(jìn)行設(shè)置；

4）對(duì)求解過(guò)程進(jìn)行合理設(shè)置，需要兼顧求解的速度和結(jié)果的精度，并對(duì)所建立的有限元模型進(jìn)行求解計(jì)算；

5）后處理過(guò)程，主要對(duì)模擬計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行提取、計(jì)算和分析。

MG250/600-WD 和MG750/1815-WD 是采煤機(jī)中的典型型號(hào)，根據(jù)上述的建模過(guò)程，本文分別針對(duì)這兩種型號(hào)的采煤機(jī)建立了四組齒輪嚙合時(shí)的模型：600 漸開(kāi)線輪與Ⅱ型銷(xiāo)齒、600 擺線輪與Ⅱ型銷(xiāo)齒、1815 漸開(kāi)線輪與Ⅲ型銷(xiāo)齒、600 擺線輪與Ⅲ型銷(xiāo)齒。其中600 和1815 分別表示采煤機(jī)的型號(hào)。結(jié)合具體的應(yīng)用情況，在有限元軟件中將齒輪的齒面全部設(shè)置為柔體，而非剛體。如圖2 所示為行走輪輪齒和銷(xiāo)排銷(xiāo)齒接觸的有限元模型。

圖2 行走輪輪齒和銷(xiāo)排銷(xiāo)齒接觸的有限元模型

2.2 行走輪輪齒嚙合接觸情況結(jié)果

K表示兩個(gè)表面接觸時(shí)的剛度比例因子，其取值范圍為0.01～10，本文分別取不同K值計(jì)算了行走輪與銷(xiāo)排銷(xiāo)齒的接觸情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1—表3。由表中數(shù)據(jù)可以看出，600 漸開(kāi)線輪與Ⅱ型銷(xiāo)齒嚙合時(shí)最大值為888 MPa，600 擺線輪與Ⅱ型銷(xiāo)齒嚙合時(shí)最大值為945 MPa，1815 漸開(kāi)線輪與Ⅲ型銷(xiāo)齒嚙合時(shí)最大值為1 275 MPa，1815 擺線輪與Ⅲ型銷(xiāo)齒嚙合時(shí)最大值為1 380 MPa。而行走輪比較常見(jiàn)的使用材料為18Cr2Ni4WA，對(duì)于這種材料，其屈服強(qiáng)度值為1 270 MPa，在工程計(jì)算中通常需要取安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如果將安全系數(shù)取為1.25，那么該材料在使用過(guò)程中允許的最大應(yīng)力值則為1 016 MPa。

如圖3 所示為行走輪輪齒表面應(yīng)變和接觸應(yīng)力分布情況。由圖可知，在齒輪邊緣部位出現(xiàn)了應(yīng)力和應(yīng)變集中，該部位容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕問(wèn)題，從而顯著降低齒輪的使用壽命。

3 行走輪輪齒性能優(yōu)化思路

從計(jì)算結(jié)果中可知，不管是漸開(kāi)線輪還是擺線輪，在輪齒邊緣部位均出現(xiàn)了比較明顯的應(yīng)力集中問(wèn)題，出現(xiàn)應(yīng)力集中部位的應(yīng)力是中間位置平均應(yīng)力的近兩倍。一旦出現(xiàn)應(yīng)力集中必然會(huì)加快齒輪的應(yīng)力腐蝕，進(jìn)而顯著降低齒輪的使用壽命，因此，為了避免在實(shí)際運(yùn)用中出現(xiàn)該應(yīng)力集中問(wèn)題，在加工生產(chǎn)制造行走輪輪齒時(shí)，可以對(duì)輪齒進(jìn)行修圓處理，避免在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力集中的問(wèn)題，從而延長(zhǎng)其使用壽命，提升其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

表1 600 漸開(kāi)線輪與Ⅱ型銷(xiāo)齒嚙合的計(jì)算結(jié)果

表2 600 擺線輪與Ⅱ型銷(xiāo)齒嚙合的計(jì)算結(jié)果

表3 1815 漸開(kāi)線輪和擺線輪分別與Ⅲ型銷(xiāo)齒嚙合的計(jì)算結(jié)果

圖3 行走輪輪齒表面應(yīng)變和接觸應(yīng)力分布情況

1815 型號(hào)采煤機(jī)漸開(kāi)線輪和擺線輪的接觸應(yīng)力最大值全部大于材料能夠允許的最大應(yīng)力值，600型號(hào)采煤機(jī)較前者的接觸應(yīng)力值稍小，但也已經(jīng)接近使用材料的允許最大應(yīng)力值。且前文得到的結(jié)果是在理想條件下獲得，而機(jī)器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的環(huán)境非常復(fù)雜，其受力情況將會(huì)更加復(fù)雜多變，導(dǎo)致行走輪齒輪齒面的實(shí)際接觸應(yīng)力比計(jì)算得到的結(jié)果大。毫無(wú)疑問(wèn)的是，過(guò)大的接觸應(yīng)力會(huì)加劇齒面的磨損，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致齒輪發(fā)生塑性變形，這種情況同樣會(huì)嚴(yán)重影響齒輪擬合的穩(wěn)定性，使得機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生較大的噪音，降低機(jī)器的運(yùn)行效率，縮短行走輪的使用壽命?；诖耍斜匾鼡Q材料，以此來(lái)提升行走輪輪齒的最大需用應(yīng)力。或是針對(duì)齒輪表面作特殊處理，提升齒輪表面的許用最大應(yīng)力值。通過(guò)更換材料或?qū)Ρ砻孑嘄X表面進(jìn)行處理，能夠在一定程度上提升齒輪嚙合使用壽命。具體采用何種材料和表面處理方式需要進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

1）對(duì)嚙合過(guò)程中的接觸應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行有限元分析得出結(jié)論：MG750/1815-WD 型號(hào)采煤機(jī)兩種結(jié)構(gòu)形式的行走輪輪齒的表面最大接觸應(yīng)力均超過(guò)了材料最大許用值，而MG250/600-WD 型號(hào)采煤機(jī)行走輪輪齒的表面最大接觸應(yīng)力也接近材料最大許用值，且在輪齒邊緣部位出現(xiàn)了應(yīng)變和應(yīng)力集中。

2）提出針對(duì)輪齒進(jìn)行修圓處理，對(duì)行走輪輪齒材料進(jìn)行優(yōu)化并對(duì)表面進(jìn)行特殊處理的優(yōu)化思路。