MG80BW型采煤機(jī)中行走輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

李 政，李大偉

（1.山西華鑫電氣有限公司，山西 陽(yáng)泉 045001；2.山煤國(guó)際煤業(yè)分公司，山西 太原030000）

0 引言

當(dāng)前，隨著國(guó)家綜合國(guó)力的不斷提升，采煤機(jī)作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，保證其設(shè)備的較高綜合性能，已成為當(dāng)前企業(yè)提高煤礦開采效率的關(guān)鍵點(diǎn)。然而，由于井下環(huán)境惡劣，加上采煤機(jī)經(jīng)常處于超負(fù)荷、超長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，導(dǎo)致其設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)滾筒磨損嚴(yán)重、齒輪斷裂、電機(jī)燒壞等故障失效問題[1]。其中，采煤機(jī)行走部中行走輪由于與銷排嚙合接觸時(shí)受到較大外部沖擊載荷作用，導(dǎo)致其作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)了行走輪輪齒斷裂、磨損嚴(yán)重、塑形變形等故障失效問題，此事故一旦發(fā)生，采煤機(jī)將停止開采，方可對(duì)行走輪進(jìn)行維修更換，這不僅嚴(yán)重影響著采煤機(jī)的開采效率，也導(dǎo)致了企業(yè)的生產(chǎn)成本大幅度增加[2]。為此，不斷結(jié)合采煤機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工況條件，對(duì)行走輪的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究，找到其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變形規(guī)律，成為企業(yè)重點(diǎn)考慮方向。因此，以MG80BW型采機(jī)中行走輪為研究對(duì)象，開展其結(jié)構(gòu)在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能研究，并提出了行走輪優(yōu)化改進(jìn)的措施，這對(duì)指導(dǎo)行走輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要指導(dǎo)意義。

1 采煤機(jī)行走部結(jié)構(gòu)組成分析

采煤機(jī)作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，目前在市場(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛的是雙滾筒式結(jié)構(gòu)，但基本都由牽引部、行走部、截割部、電氣系統(tǒng)等組成，具體包括機(jī)頭齒輪箱、滾筒、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分[3]。其中，行走部中的關(guān)鍵部件包括行走輪和銷排等部件，主要使采煤機(jī)進(jìn)行前后移動(dòng)，并對(duì)其作業(yè)高低進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，而遷移速度及遷移力大小，則直接影響著整個(gè)煤礦設(shè)備的高效運(yùn)行[4]。行走部經(jīng)常采用齒輪傳動(dòng)、滾輪齒傳動(dòng)、鏈輪傳動(dòng)等多種方式來(lái)產(chǎn)生遷移力，而齒輪傳動(dòng)則是應(yīng)用較為廣泛的行走輪和銷排傳動(dòng)方式，行走輪主要分布在牽引箱的左右兩側(cè)，通過(guò)牽引箱中輸出的動(dòng)力，帶動(dòng)行走輪在銷排上嚙合前行，對(duì)采煤機(jī)的非工作姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。行走輪在采煤機(jī)中的安裝位置圖如圖1所示。

圖1 行走輪安裝位置圖

2 行走輪存在問題分析

由于井下環(huán)境的惡劣性及特殊性，要求所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)需具有較好耐磨性、較長(zhǎng)使用壽命，減少采煤機(jī)因行走輪故障而出現(xiàn)的停機(jī)維修時(shí)間，提高采煤機(jī)的煤礦開采效率。結(jié)合采煤機(jī)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)及使用中存在的問題可知，行走輪在使用中經(jīng)常出現(xiàn)齒面磨損嚴(yán)重、齒頂斷裂、齒根磨損嚴(yán)重、輪齒局部開裂，嚙合不緊密等故障失效現(xiàn)象。分析其原因?yàn)椋盒凶咻喸谧鳂I(yè)過(guò)程中采用了嚙合齒輪傳動(dòng)，加上采煤機(jī)經(jīng)常處于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)和自身的幾十噸重量，導(dǎo)致行走輪自身所需承受的外部作用力相對(duì)較大。行走輪在嚙合區(qū)域也經(jīng)常夾雜較多的煤礦顆粒，這無(wú)形中也增加了行走輪齒面之間的磨損程度[5]。行走輪在此較大外部沖擊作用下，出現(xiàn)了輪齒磨損嚴(yán)重或突然折斷失效現(xiàn)象，行走輪外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)的采煤機(jī)行走輪使用壽命一般在2～3個(gè)月范圍內(nèi)，而即使采用國(guó)外進(jìn)口的行走輪結(jié)構(gòu)，使用壽命也只能達(dá)到4～5個(gè)月，行走輪的更換頻率相對(duì)較高，同時(shí)，這也會(huì)使采煤機(jī)處于停機(jī)維修狀態(tài)，這無(wú)形中降低了煤礦開采效率，增加了企業(yè)的開采成本。采用科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的分析方式，對(duì)采煤機(jī)行走輪在不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變形情況進(jìn)行分析研究，找到其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化規(guī)律，提高行走輪的使用壽命，成為提高煤礦生產(chǎn)效率，降低企業(yè)成本的重要研究方向。

圖2 行走輪外形結(jié)構(gòu)示意圖

3 行走輪分析模型建立

3.1 三維模型建立

結(jié)合行走輪存在的問題，為進(jìn)一步掌握其結(jié)構(gòu)性能，以MG80BW型采煤機(jī)中的行走輪為研究對(duì)象，采用了PROE三維軟件，對(duì)其進(jìn)行了三維模型建立。在建模過(guò)程中，將行走輪的齒數(shù)設(shè)計(jì)為12，節(jié)距設(shè)計(jì)為125 mm，分度圓直徑設(shè)計(jì)為316 mm，并附行走輪中的非關(guān)鍵的過(guò)渡圓弧、圓角進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，同時(shí)，保證此些特征對(duì)行走輪分析結(jié)果的影響。

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型建立

同時(shí)，采用ABQUS軟件，將所建立的行走輪三維模型導(dǎo)入至此軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型建立。由于行走輪在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，僅會(huì)使用1個(gè)輪齒進(jìn)行接觸作業(yè)，為減少結(jié)構(gòu)的分析時(shí)間和提高分析精度，僅對(duì)行走輪中的單一輪齒進(jìn)行了強(qiáng)度模型建立。行走輪運(yùn)行過(guò)程需具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在軟件中，將行走輪的材料設(shè)置成40Cr材料，其材料的屈服強(qiáng)度為785 MPa[6]，其他關(guān)鍵參數(shù)見表1。另外，由于行走輪的工況相對(duì)復(fù)雜，故對(duì)行走輪在受彎矩力作用和接觸作用下的模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，采用了實(shí)體單元類型，對(duì)行走輪進(jìn)行了六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置成10 mm。針對(duì)行走輪的邊界條件問題，主要是對(duì)其齒根及底部進(jìn)行了固定約束，其他部位為自由接觸狀態(tài)，行走輪網(wǎng)格劃分圖如圖3和圖4所示。由此，完成了行走輪單一輪齒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型。

表1 40Cr材料關(guān)鍵參數(shù)

圖3 行走輪輪齒彎矩力下網(wǎng)格劃分圖

4 行走輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

4.1 彎矩作用下的應(yīng)力分析

圖5 和圖6為行走輪輪齒在彎矩力作用下的應(yīng)力變化圖和位移變化圖。其中，彎矩力主要作用于輪齒的齒頂部位。由圖可知，由于輪齒頂部受到了外界的彎矩力作用，導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，其中，齒輪的齒頂部位最大應(yīng)力值為735.5 MPa，已接近輪齒的屈服強(qiáng)度，從齒頂向齒根部，應(yīng)力值呈先變小再變大的趨勢(shì)，齒根部的應(yīng)力為244.5 MPa，局部區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。由圖所知，輪值的齒頂部位的結(jié)構(gòu)最大變形量為0.527 mm，沿著齒根方向，結(jié)構(gòu)變形量呈逐漸減小趨勢(shì)。分析其原因?yàn)檩嘄X受到集中外部載荷。若行走輪在工況條件下長(zhǎng)時(shí)間的超負(fù)荷作業(yè)，將極容易率先在齒頂部位出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、開裂或斷裂的失效現(xiàn)象，這將給采煤機(jī)的正常作業(yè)及作業(yè)安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

圖6 行走輪輪齒位移變化圖

4.2 接觸作用下的應(yīng)力分析

針對(duì)行走輪的接觸作用工況，主要是將行走輪的齒輪面作為主接觸面，接觸銷軸則作為從動(dòng)截件，使其兩部件在一定作用力下相互接觸。通過(guò)仿真分析，得到了行走輪在此工況下應(yīng)力和位移變化圖，如圖7和圖8所示。由圖可知，整個(gè)輪齒呈現(xiàn)分布不均勻的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在輪齒的齒根與銷軸接觸部位，但最大應(yīng)力值僅為222.8 MPa，未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，輪齒結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力值由齒根向四周呈逐漸減少的變化趨勢(shì)。由圖可知，輪齒的最大變形位移為0.262 mm，也出現(xiàn)了齒輪的齒頂部位，并沿齒根方向呈逐漸減少的變化趨勢(shì)。分析其原因?yàn)椋狠嘄X與銷軸在嚙合時(shí)處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，大大削弱了接觸部位的應(yīng)力集中。由此可知，行走輪在此接觸作用工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較高，更能適應(yīng)該中工況下的現(xiàn)場(chǎng)使用需求。

圖7 行走輪輪齒應(yīng)力變化圖

圖8 行走輪輪齒位移變化圖

5 行走輪的改進(jìn)建議

為進(jìn)一步提高行走輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，延長(zhǎng)其結(jié)構(gòu)使用壽命，保證采煤機(jī)的正常、高效作業(yè)，在前文分析基礎(chǔ)上，對(duì)行走輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了改進(jìn)建議，主要包括：

1）在后期研究中，可對(duì)行走輪在其他工況下的受力情況進(jìn)行重點(diǎn)分析，找到行走輪在不同工況下的應(yīng)力及位移變化規(guī)律，此可有根據(jù)的更加精確的提出行走輪的優(yōu)化改進(jìn)措施。

2）重點(diǎn)對(duì)行走輪與銷排之間的嚙合重合度進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。在設(shè)計(jì)時(shí)，可加大嚙合處的有效嚙合寬度，通過(guò)計(jì)算，增加齒根圓直徑，保證部件之間的嚙合重合度更高，可有效提高行走輪的使用壽命。

3）加強(qiáng)行走輪與輪軸之間的潤(rùn)滑改進(jìn)，保證行走輪在嚙合及轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中具有較低的摩擦阻力，保證行走輪運(yùn)轉(zhuǎn)更加靈活。

4）將行走輪齒頂處的過(guò)渡圓弧進(jìn)行適當(dāng)加大，保證齒頂部位受到外界作用力時(shí)能更好的將作用力進(jìn)行受力分解。

5）在行走輪齒頂四周的應(yīng)力集中區(qū)別，設(shè)計(jì)不影響其結(jié)構(gòu)性能的2 mm較小圓孔，可有效將齒頂處受到的最大應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圓孔處，有效緩解行走輪上的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

6 結(jié)論

在采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，企業(yè)專職人員需不定時(shí)的對(duì)行走輪進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，保證其嚙合處的清潔性及潤(rùn)滑性，保證行走輪與銷排之間具有較高的嚙合效果，以此提高行走輪的使用壽命及采煤機(jī)的煤礦開采效率。而采用科學(xué)、有效、快速的有限元分析方法，對(duì)采煤機(jī)行走輪使用中的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律進(jìn)行分析研究，已成為當(dāng)前最為經(jīng)濟(jì)可靠的研究方法。為此，利用有限元分析方法，以MG80BW型采煤機(jī)中行走輪為研究對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)在不同工況條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析研究，得出了行走輪的齒頂部位為薄弱部位，找到了其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及位移變化規(guī)律，提出了行走輪優(yōu)化改進(jìn)的措施，這為提高進(jìn)一步提升行走輪的結(jié)構(gòu)性能及使用壽命起到重要指導(dǎo)作用。