采煤機驅(qū)動輪與銷排含間隙接觸碰撞動力學(xué)仿真分析

馬英，徐蘭欣，陳洪巖

(1. 天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部， 北京 100013；2. 西安科技大學(xué) 管理學(xué)院， 陜西 西安 710054；3. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 阜新 123000)

0 引言

煤礦井下工作環(huán)境惡劣，存在很多不確定的因素。井下工作時,由于安裝精度及摩擦磨損，都會對刮板輸送機產(chǎn)生很大影響，會導(dǎo)致銷排與銷排之間存在錯位。其中驅(qū)動輪是采煤機行走部的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，在采煤機生產(chǎn)工作中承擔(dān)采煤機移動的重要任務(wù)，它與刮板輸送機上的銷排嚙合是采煤機行走動力的來源[1]。然而,銷排之間產(chǎn)生的間隙,會導(dǎo)致驅(qū)動輪在牽引采煤機時驅(qū)動輪與銷排間產(chǎn)生接觸碰撞。當(dāng)驅(qū)動輪工作時間長、低速重載并伴隨著較大沖擊載荷時，驅(qū)動輪與銷軌嚙合部分會出現(xiàn)輪齒疲勞斷裂、輪齒變形、裂紋等現(xiàn)象。由于承載著采煤機大部分的質(zhì)量及驅(qū)動輪與銷排嚙合產(chǎn)生的反方向牽引力，如果驅(qū)動輪失效無法工作，便會帶來很大的維修難度，這將嚴(yán)重影響礦區(qū)采煤效率，造成經(jīng)濟損失。因此，有必要對驅(qū)動輪、導(dǎo)向滑靴與銷排含間隙接觸碰撞進行動力學(xué)仿真分析。

1 驅(qū)動輪與銷排含間隙嚙合動力學(xué)模型建立

以MG500/1130-WD型采煤機為研究載體，根據(jù)驅(qū)動輪與銷排在30°坡度下的嚙合工作特性，建立簡化三維模型。建模完成后,對模型進行虛擬裝配,并利用Pro/E的分析功能對裝配好的模型進行靜態(tài)干涉檢測，無干涉后將裝配好的模型保存為“.igs”格式，為之后將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench[2]中進行聯(lián)合仿真做準(zhǔn)備。銷排與驅(qū)動輪均采用非線性塑性各向異性硬化材料，材料所需參數(shù)見表1[3-4]。

表1 仿真的基本參數(shù)

采用面與面接觸的方式，對驅(qū)動輪和銷排施加載荷與約束。選擇驅(qū)動輪的輪齒與銷排的銷齒建立接觸對。這里驅(qū)動輪與銷排為Flexible。對驅(qū)動輪進行位移約束，X方向設(shè)置為Free，Y、Z方向均設(shè)置為Fixed，繞Z軸旋轉(zhuǎn)。具體設(shè)置方法如表2所示。

表2 驅(qū)動輪與銷排接觸面設(shè)置

在仿真模塊“Transient Structural”下，對驅(qū)動輪和銷排施加載荷與約束，驅(qū)動輪施加初始轉(zhuǎn)速為0.35 r/s。設(shè)置Friction Coefficient為0.2。仿真模型如圖1所示。

1-驅(qū)動輪； 2-銷排。

2 驅(qū)動輪與銷排動力學(xué)仿真分析

采煤機驅(qū)動輪與刮板輸送機銷排嚙合可看作齒輪齒條嚙合，驅(qū)動輪在自身轉(zhuǎn)動的同時沿銷排發(fā)生水平運動?；诓擅簷C井下工作強度大、環(huán)境復(fù)雜，驅(qū)動輪在工作中與銷排時常發(fā)生接觸碰撞。圖2、圖3為銷排在與驅(qū)動輪接觸時應(yīng)力、應(yīng)變的大小及分布情況。

圖2 銷排應(yīng)變云圖

圖3 穩(wěn)定嚙合驅(qū)動輪應(yīng)力云圖

1) 由圖2所示，導(dǎo)向滑靴、驅(qū)動輪在實驗載荷下與銷排發(fā)生碰撞，這里選取了銷排在整個仿真分析過程中所受最大應(yīng)變時刻，此時出現(xiàn)最大接觸應(yīng)變位置在銷排間隙兩邊的銷齒齒面上，最大應(yīng)變值為2.957 8e-004 m。

2) 如圖3所示，驅(qū)動輪應(yīng)力集中區(qū)域為輪齒的齒根處，齒根處受力最大，并呈現(xiàn)帶狀形式分布。驅(qū)動輪出現(xiàn)最大應(yīng)變量為1.658 7e-003 m，最大應(yīng)力為2.954 6e+008 Pa。

3 結(jié)論

本文對采煤機驅(qū)動輪及銷排進行了模型建立和動力學(xué)有限元分析。結(jié)果表明在大坡度工況下,驅(qū)動輪與銷排嚙合時的驅(qū)動輪最大應(yīng)力應(yīng)變位置出現(xiàn)在輪齒根處，出現(xiàn)最大應(yīng)變量為1.658 7e-003 m，最大應(yīng)力值為2.954 6e+008 Pa。若最大應(yīng)力值小于材料的許用值，則不會出現(xiàn)失效情況，驅(qū)動輪可滿足使用要求。