采煤機(jī)齒軌輪斷齒問題分析與改進(jìn)研究

李 明

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦， 山西 方山 033100）

引言

由于采煤機(jī)的作業(yè)環(huán)境惡劣，例如采煤過程中采煤機(jī)周圍會(huì)彌漫著大量的粉煤灰以及行走機(jī)構(gòu)受力多變等，使采煤機(jī)在工作過程中極易出現(xiàn)故障；齒軌輪作為驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)行走的重要傳動(dòng)部件，一旦出現(xiàn)斷齒問題將導(dǎo)致整套采煤機(jī)不能正常運(yùn)行，給煤炭企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失，因此研究采煤機(jī)齒軌輪斷齒問題的分析與改進(jìn)具有重要的意義[1-3]。

1 采煤機(jī)齒軌輪工作原理及斷齒問題分析

采煤機(jī)行走的動(dòng)力來源是牽引電機(jī)，牽引電機(jī)輸出軸連接減速機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳輸至齒軌輪，齒軌輪與采煤機(jī)輸送機(jī)上的齒排嚙合，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)工作過程中的行走運(yùn)動(dòng)[4]。采煤機(jī)在采煤工作時(shí)要求其行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)、工作可靠、具有較長(zhǎng)的使用壽命。齒軌輪齒斷裂問題實(shí)物圖如圖1 所示，采煤機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)突然發(fā)生，隨即采煤機(jī)原地徘徊不前，相關(guān)設(shè)備維護(hù)人員立刻對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行故障排查，發(fā)現(xiàn)齒軌輪齒出現(xiàn)斷裂，拆卸之后可以看出輪齒斷裂位置接近輪齒根部，斷裂形式為整齒斷裂。為了避免齒軌輪齒斷裂問題頻繁出現(xiàn)，有必要進(jìn)行齒軌輪齒斷裂問題的分析，提出合理的改進(jìn)方向，保證采煤機(jī)的可靠運(yùn)行。

2 采煤機(jī)齒軌輪有限元仿真分析

齒軌輪破壞是采煤機(jī)常見故障，不僅影響采煤機(jī)的正常工作，也會(huì)給企業(yè)帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)齒軌輪進(jìn)行有限元分析具有重要的意義[5]。本文分析對(duì)象為齒軌輪和與其相互嚙合的傳動(dòng)齒輪，能夠真實(shí)模擬齒軌輪的工作狀態(tài)，相較于單個(gè)輪齒的有限元分析更加先進(jìn)。

2.1 齒軌輪三維模型的建立

依據(jù)MG300/700－WD 型采煤機(jī)齒軌輪的工程圖紙，運(yùn)用ProE 三維繪圖軟件，建立了采煤機(jī)齒軌輪和與之嚙合齒輪的三維模型，完成了二者之間的裝配。為了避免出現(xiàn)齒軌輪三維模型導(dǎo)入ANASYS15.0 有限元分析軟件過程中出現(xiàn)不能完成識(shí)別的問題，建立齒軌輪三維模型時(shí)對(duì)齒軌輪倒角進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理[6]。分析用的齒軌輪三維模型如圖2所示，下面為采煤機(jī)齒軌輪，上面為與之相互嚙合的傳動(dòng)齒輪。

圖1 齒軌輪齒斷裂問題

圖2 分析用齒軌輪三維模型

2.2 齒軌輪仿真模型的建立

2.2.1 材料屬性設(shè)置

將齒軌輪三維模型導(dǎo)入ANASYS15.0 有限元分析軟件之后需要進(jìn)行齒軌輪材料屬性的設(shè)置，實(shí)際齒軌輪材料牌號(hào)為18Cr2Ni4W，其主要性能參數(shù)如表1 所示。運(yùn)用添加新材料的功能將18Cr2Ni4W 性能參數(shù)輸入仿真軟件中，之后添加給齒軌輪，完成齒軌輪材料屬性的設(shè)置。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

齒軌輪模型網(wǎng)格劃分采用四面體類型，劃分網(wǎng)格過程中為了降低仿真計(jì)算的工作量、縮短仿真計(jì)算時(shí)間、不影響仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)齒軌輪接觸面進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。網(wǎng)格化分完成統(tǒng)計(jì)得到節(jié)點(diǎn)總數(shù)為318 542，單元總數(shù)為202 076。網(wǎng)格化分之后的齒軌輪模型如下頁圖3 所示。

表1 齒軌輪材料參數(shù)

2.2.3 施加約束和載荷

齒軌輪和與其嚙合的傳動(dòng)齒輪之間是嚙合相切關(guān)系，因此需要提取齒軌輪的齒廓面和與之嚙合傳動(dòng)齒輪的齒廓面，組成一個(gè)接觸對(duì)，前者為源接觸面，后者為目標(biāo)接觸面，接觸面之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15。之后根據(jù)齒軌輪實(shí)際的工作狀況設(shè)置兩個(gè)齒輪的約束關(guān)系，將齒軌輪內(nèi)孔和與之嚙合傳動(dòng)齒輪內(nèi)孔均設(shè)置為圓柱約束，模擬它們與齒輪軸的配合關(guān)系；因兩個(gè)齒輪工作時(shí)處于同一個(gè)平面內(nèi)且軸心線相互固定，故還要設(shè)置兩個(gè)齒輪內(nèi)孔在軸向和徑向的唯一約束，最后僅僅保留齒軌輪和與之嚙合傳動(dòng)齒輪在回轉(zhuǎn)中心線上的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行過程中，傳動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)力矩主要來源于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，經(jīng)計(jì)算得出傳動(dòng)齒輪上的驅(qū)動(dòng)力矩為76 765 N·m，因此需要在傳動(dòng)齒輪內(nèi)孔表面施加扭矩載荷，作為仿真模型的驅(qū)動(dòng)。齒軌輪和與之嚙合的傳動(dòng)齒輪相接觸，其同時(shí)承受齒輪軸的支撐約束、嚙合面之間的摩擦力、傳動(dòng)齒輪提供的驅(qū)動(dòng)力和與之嚙合齒排的阻力，因此施加載荷過程中還要對(duì)齒軌輪設(shè)置分型面，在交線處施加固定約束，用于模擬齒軌輪與嚙合齒排之間的相互作用。施加約束和載荷之后的齒軌輪如圖4 所示，在綠色箭頭所指位置施加圓柱約束和位移約束，在紫色箭頭所指位置施加驅(qū)動(dòng)力矩載荷。

圖3 齒軌輪模型網(wǎng)格圖

圖4 施加約束和載荷的齒軌輪

3 齒軌輪仿真結(jié)果分析

在ANASYS15.0 有限元分析軟件中完成材料屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分、約束和載荷施加等前處理過程之后即可進(jìn)行仿真計(jì)算，包括應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、位移分析等。此處對(duì)齒軌輪進(jìn)行應(yīng)力分析，確定輪齒工作過程中的應(yīng)力分布狀態(tài)，選擇Mises 等效應(yīng)力分析。齒軌輪應(yīng)力分析云圖如圖5 所示。

圖5 齒軌輪應(yīng)力（Pa）分析云圖

由齒軌輪應(yīng)力云圖可以看出其較大應(yīng)力出現(xiàn)在兩個(gè)位置，一是齒軌輪和傳動(dòng)齒輪嚙合位置，二是齒軌輪與齒排嚙合的位置，但是兩個(gè)位置的應(yīng)力大小和分布狀態(tài)存在一定的差異。齒軌輪與傳動(dòng)輪嚙合處最大應(yīng)力為720 MPa，分布在嚙合線靠近齒頂?shù)牟糠?，最大?yīng)力小于材料的許用應(yīng)力1 300 MPa；齒軌輪與齒排嚙合處最大應(yīng)力為1 180 MPa，分布在嚙合線靠近齒根的部分，最大應(yīng)力接近材料的最大許用應(yīng)力1 300 MPa；由此可見，齒軌輪斷齒問題極易出現(xiàn)在齒軌輪與齒排嚙合位置且多發(fā)生在嚙合齒的齒根位置，與實(shí)際齒軌輪斷齒問題相符。產(chǎn)生斷裂的可能原因如下：第一齒軌輪材料內(nèi)部存在微裂紋、夾雜等缺陷，形成裂紋源，在齒軌輪運(yùn)行中受到較大載荷或過載時(shí)極易出現(xiàn)斷齒問題；第二是齒軌輪使用時(shí)間較長(zhǎng)，由于其運(yùn)行環(huán)境中存在較多的粉塵等顆粒物質(zhì)，粘附在齒軌輪與齒排之間，增加了齒軌輪的磨損，當(dāng)磨損量達(dá)到一定值時(shí)，輪齒的強(qiáng)度降低，當(dāng)受到加大載荷或者過載時(shí)極易出現(xiàn)斷齒問題；第三是齒軌輪在長(zhǎng)時(shí)間交變應(yīng)力的作用下出現(xiàn)了疲勞斷裂。

4 采煤機(jī)齒軌輪改進(jìn)建議

通過對(duì)齒軌輪的有限元分析，得到了齒軌輪工作過程中的應(yīng)力分布云圖，分析了齒軌輪出現(xiàn)斷齒問題的可能原因，以此為依據(jù)提出以下改進(jìn)建議：

1）齒軌輪制造過程中要嚴(yán)格控制齒輪材料的質(zhì)量，在加工制造之前進(jìn)行金相組織觀察，確定材料內(nèi)部不存在微裂紋、夾雜等缺陷；齒軌輪制造完成之后應(yīng)進(jìn)行必要的無損檢測(cè)，確保齒軌輪的質(zhì)量合格；

2）控制齒軌輪運(yùn)行環(huán)境中粉塵含量，同時(shí)也可以設(shè)置防護(hù)裝置避免粉塵直接進(jìn)入齒軌輪和齒排嚙合位置，降低齒軌輪運(yùn)行過程中的磨損速率，延長(zhǎng)其使用壽命；

3）定期對(duì)齒軌輪進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，清除齒軌輪和齒排嚙合位置的污物，進(jìn)行必要的潤(rùn)滑，同時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)齒軌輪輪齒異常及時(shí)進(jìn)行齒軌輪的更換，避免采煤機(jī)因斷齒問題出現(xiàn)停機(jī)。