不同工況下采煤機(jī)牽引部行走輪疲勞壽命的分析

閆春斌

（山西西山晉興能源有限公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

目前采煤機(jī)為煤礦開采中最關(guān)鍵的機(jī)械設(shè)備，在煤巖實際開采中，其與皮帶輸送機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)相互配合作業(yè)，實現(xiàn)煤層開采的高度機(jī)械化作業(yè)。采煤機(jī)四個組成部分包括牽引部、截割部、行走部、中間箱，其中，中間箱為采煤機(jī)的控制系統(tǒng)和動力能源，并通過某些控制元件完成整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)安全，也為整個系統(tǒng)提供動力；行走部是通過齒輪軌嚙合作用于銷軌，完成采煤機(jī)的推移行走動作；截割部為采煤機(jī)的工作部件，擔(dān)負(fù)著煤礦生產(chǎn)中破煤和裝煤的艱巨工作；牽引部屬于采煤機(jī)的重要組成部件，其組成部分包括牽引驅(qū)動裝置、牽引機(jī)構(gòu)、牽引部殼體、牽引電動機(jī)及附屬配置等，牽引部主要功能是實現(xiàn)采煤機(jī)移動行走的工作部件，同時，承擔(dān)著采煤機(jī)非工作狀態(tài)時的調(diào)動[1]。牽引部一般是采用漸開線齒輪-銷軌式嚙合的牽引機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)組成部分包括行走輪、銷軌和導(dǎo)向滑靴等，采煤機(jī)就是利用嚙合刮板輸送機(jī)上的牽引軌道使其沿著工作方向循環(huán)往復(fù)動作。由于行走輪在實際運行中經(jīng)常發(fā)生齒根斷裂等問題，影響其使用壽命[2]。

1 不同工況下采煤機(jī)牽引部行走輪疲勞壽命的分析

1.1 不同載荷大小

由于采煤機(jī)在實際工作中，工況的復(fù)雜程度不同造成牽引部行走輪受力情況不同。當(dāng)增大行走輪載荷時，很大程度上也影響其疲勞壽命，行走輪載荷增大有以下幾種情形：一是在大傾角工況下運行的采煤機(jī)，由于其在上行采煤進(jìn)程中其實是等同于爬坡，不僅會增大采煤機(jī)的牽引阻力，同時增大了行走輪載荷；二是在截割煤巖進(jìn)程中，采煤機(jī)滾筒存在截割頂板或巖石包裹體的情形，會同時增大采煤機(jī)的牽引阻力和截割阻力，造成瞬時也增大了采煤機(jī)行走輪與銷排的接觸力；三是當(dāng)采煤機(jī)某一個牽引部發(fā)生故障，或牽引部行走輪與銷排嚙合不好，都會造成前后行走輪出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，甚至造成某一時刻某一行走輪不受力作用的極端工況[3]，上述三種情況都會增大行走輪牽引力和齒根彎曲應(yīng)力，因此，有必要分析行走輪載荷大小對其疲勞壽命的影響。

本文應(yīng)用疲勞軟件nCode 分析不同載荷大小下行走輪的疲勞壽命，并通過改變行走輪載荷譜的比例參數(shù)，取值是0.8～1.6 倍，即獲得不同的載荷大小，其對應(yīng)的疲勞壽命變化關(guān)系如表1 和圖1 所示。

表1 不同載荷工況下，采煤機(jī)牽引部行走輪的疲勞壽命

圖1 不同載荷大小對采煤機(jī)牽引部行走輪疲勞壽命的影響

從表1 和圖1 可看出，隨著載荷的增大，采煤機(jī)牽引部行走輪的疲勞壽命逐漸減小，當(dāng)載荷增大20%時，行走輪疲勞壽命降低50%，表明載荷對行走輪疲勞壽命的影響程度較大，因此在采煤機(jī)實際運行中，不要出現(xiàn)前后行走輪受力不均勻的現(xiàn)象，避免增大行走輪的輪齒受力作用。

1.2 不同齒面粗糙度

采煤機(jī)行走部件作為齒輪傳動的開式傳動機(jī)構(gòu)，由于其運行環(huán)境復(fù)雜惡劣，采煤機(jī)在實際操作中會出現(xiàn)煤巖掉落到銷排的現(xiàn)象，導(dǎo)致行走輪不能與銷排充分嚙合，隨著采煤機(jī)長時間的使用運轉(zhuǎn)，逐漸加重了行走輪輪齒表面的粗糙度。根據(jù)在運行中牽引部行走輪輪齒的受力特點，造成齒根處的輪齒受到的彎曲應(yīng)力較大，并在交變載荷的作用下，位于齒根處的輪齒出現(xiàn)裂紋缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致輪齒發(fā)生破壞[4]，所以分析不同齒面粗糙度對行走輪疲勞壽命的影響具有重要的意義。

本文選取六個不同粗糙度等級對采煤機(jī)牽引部行走輪疲勞壽命進(jìn)行分析，得到如表2 和圖2 所示的變化關(guān)系。

從表2 和圖2 可以看出，隨著齒面粗糙度的增大，采煤機(jī)牽引部行走輪的疲勞壽命逐漸減小。當(dāng)行走輪齒面粗糙度從6 級逐漸提升至2 級時，對應(yīng)的行走輪疲勞壽命依次提升0.4、1.5、2.6、3.5 倍。當(dāng)行走輪齒面粗糙度是1 級、2 級時，行走輪的疲勞壽命無變化，此種情形下，行走輪載荷譜的大小就可決定行走輪的疲勞壽命。由于采煤機(jī)實際工況環(huán)境差，在運行動作中，開式傳動系統(tǒng)的行走機(jī)構(gòu)不能很好地進(jìn)行潤滑，因此行走輪輪齒磨損比較嚴(yán)重?？赏ㄟ^對輪齒材料的表面強(qiáng)度進(jìn)行加大，進(jìn)而提升行走輪輪齒面的粗糙度，比如對行走輪齒面采用噴丸、氮化、滲碳等工藝處理。

圖2 不同齒面粗糙度等級對牽引部行走輪疲勞壽命的影響

表2 不同齒面粗糙度下，采煤機(jī)牽引部行走輪的疲勞壽命

2 結(jié)論

1）隨載荷的增大，采煤機(jī)牽引部行走輪的疲勞壽命逐漸減小，當(dāng)載荷增大20%時，行走輪疲勞壽命降低50%，表明載荷對行走輪疲勞壽命的影響程度較大。

2）隨齒面粗糙度的增大，采煤機(jī)牽引部行走輪的疲勞壽命逐漸減小。當(dāng)齒面粗糙度大于2 級時，通過提高齒面粗糙度可提高行走輪疲勞壽命，當(dāng)小于2 級時，對其疲勞壽命幾乎無影響。