采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)接觸應(yīng)力分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

楊曉林

（山西焦煤霍州煤電臨汾宏大隆博煤業(yè)， 山西 臨汾 042100）

0 引言

采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性會(huì)對(duì)煤礦開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生決定性影響，采取措施保障采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程的可靠性，是保障煤礦開(kāi)采過(guò)程連續(xù)性并提升開(kāi)采效率的重要措施[1]。采煤機(jī)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由不同部件構(gòu)成，各自發(fā)揮作用實(shí)現(xiàn)設(shè)備的行走并對(duì)煤巖進(jìn)行截割[2]。牽引機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的行進(jìn)，工作時(shí)會(huì)承受波動(dòng)性載荷，進(jìn)而影響牽引機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性[3]?；诖耍斜匾谟邢拊椒▽?duì)采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，明確牽引機(jī)構(gòu)中強(qiáng)度較為薄弱的位置，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)提供依據(jù)[4]。以MG132/320-W 型采煤機(jī)的牽引機(jī)構(gòu)為對(duì)象，對(duì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，取得了良好的效果。

1 牽引機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的建立

1.1 三維模型建立

牽引機(jī)構(gòu)主要由三個(gè)零部件構(gòu)成，分別為行走輪、銷排和導(dǎo)向滑靴，行走輪心軸在牽引箱上固定，行走輪與銷排進(jìn)行嚙合傳動(dòng)，通過(guò)行走輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)沿著銷排的移動(dòng)[5]。導(dǎo)向滑靴的作用是保證行走輪與銷排具有良好嚙合狀態(tài)。利用UG 軟件根據(jù)MG132/320-W 型采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，建立三維實(shí)體模型。在UG 軟件中對(duì)以上三個(gè)零件進(jìn)行裝配，建模過(guò)程中考慮到模型計(jì)算速度及收斂性問(wèn)題，對(duì)部分曲面和倒角、倒圓進(jìn)行省略處理，以簡(jiǎn)化三維實(shí)體模型[6]。將建立的模型導(dǎo)出為Parasolid 格式并導(dǎo)入到Ansys 軟件中。

1.2 有限元模型建立

在Ansys 軟件中首先需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到本研究要對(duì)牽引機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行分析，因此在軟件中選用Solid186 型單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在綜合考慮模型計(jì)算精度以及計(jì)算時(shí)間的基礎(chǔ)上，將網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)設(shè)置成25 mm，劃分得到的網(wǎng)格單元數(shù)量為13 324 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為15 392 個(gè)。材料方面，牽引機(jī)構(gòu)中三個(gè)結(jié)構(gòu)件的加工材料分別為20Cr2Ni4、40CrMnMo 和ZG25MnCrNiMo，以上三種材料的密度依次為7 880 kg/m3、7 900 kg/m3、7 850 kg/m3，楊氏模量依次為201 GPa、206 GPa 和202 GPa，泊松比分別為0.29、0.3 和0.3，屈服強(qiáng)度分別為1 080 MPa、980 MPa、835 MPa，抗拉強(qiáng)度分別為1 175 MPa、785 MPa、980 MPa。將以上材料參數(shù)輸入到有限元模型中，以便得到準(zhǔn)確的結(jié)果。如圖1 所示為采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)的有限元模型。模型設(shè)置運(yùn)行時(shí)間1.5 s，以便觀察牽引機(jī)構(gòu)連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中接觸應(yīng)力的變化情況。

圖1 采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)的有限元模型

2 牽引機(jī)構(gòu)行走輪齒面接觸應(yīng)力結(jié)果

采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中，行走輪與銷排之間會(huì)產(chǎn)生接觸，且采煤機(jī)整體質(zhì)量較大，因此兩者之間會(huì)產(chǎn)生比較大的接觸應(yīng)力，從而加劇行走輪齒面的磨損，影響牽引機(jī)構(gòu)的運(yùn)行穩(wěn)定性。完成有限元模型的分析計(jì)算工作以后，可以對(duì)行走輪的齒面接觸應(yīng)力進(jìn)行提取分析。本文研究了行走輪齒面接觸應(yīng)力的連續(xù)變化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在本模擬進(jìn)行到0.57 s 時(shí)，齒面接觸應(yīng)力達(dá)到最大值。如圖2-1 所示為行走輪齒面接觸應(yīng)力的分布云圖。由圖2-1 可知，行走輪齒面接觸應(yīng)力較大的部位主要是與銷排發(fā)生直接接觸的位置，在接觸線附近區(qū)域形成了接觸斑，在時(shí)間為0.57 s 時(shí)刻，除去個(gè)別網(wǎng)格出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象以外，齒面接觸應(yīng)力最大值達(dá)到了789 MPa。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)行走輪齒面與銷排脫離接觸后，齒面接觸應(yīng)力快速降低至較小狀態(tài)。當(dāng)行走輪齒面承受較大的接觸應(yīng)力時(shí)，時(shí)間長(zhǎng)久后不可避免地會(huì)出現(xiàn)磨損甚至點(diǎn)蝕的問(wèn)題，從而加速行走輪的損壞，縮短行走輪的使用壽命。如圖2-2 所示為采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)行走輪齒面的實(shí)物圖片，可以看出齒面部位出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損和點(diǎn)蝕現(xiàn)象?？梢?jiàn)，有限元模擬結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況基本吻合，驗(yàn)證了有限元模型的正確性。

圖2 行走輪齒面接觸應(yīng)力分布及其實(shí)際磨損情況

行走輪齒面過(guò)大的接觸應(yīng)力是導(dǎo)致齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕和磨損的重要原因之一，行走輪自身的形狀結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)在一定程度上影響齒面的接觸應(yīng)力。因此，有必要對(duì)行走輪的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以降低相同工況條件下行走輪齒面接觸應(yīng)力，從而提升行走輪結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3 牽引機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

對(duì)行走輪齒面接觸應(yīng)力造成影響的因素是多方面的，在開(kāi)展優(yōu)化改進(jìn)工作時(shí)需要分析主要和次要影響因素，然后對(duì)主要因素進(jìn)行分析，而忽略次要因素的影響。在分析實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，確定了三個(gè)關(guān)鍵的影響因素，分別為行走輪模數(shù)、銷排斜線傾角、嚙合中心距，以上述三個(gè)因素為優(yōu)化對(duì)象。為了縮小優(yōu)化計(jì)算工作量，行走輪模數(shù)的取值范圍為48.06～50.61 mm，銷排斜線傾角的取值范圍為73°～79°，中心距變化量的范圍為-8～8 mm。

優(yōu)化改進(jìn)工作利用Ansys 軟件完成，基本思路是在三個(gè)優(yōu)化對(duì)象取值范圍內(nèi)分別進(jìn)行取值并建立有限元模型，所有模型除上述三個(gè)優(yōu)化對(duì)象的參數(shù)不同外，其他參數(shù)完全一樣。對(duì)所有模型進(jìn)行分析計(jì)算，并提取行走輪齒面的接觸應(yīng)力演變情況，對(duì)比接觸應(yīng)力取最小的作為優(yōu)化結(jié)果。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)以上方案對(duì)采煤機(jī)牽引機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最終確定的行走輪模數(shù)、銷排斜線傾角和中心距變化量依次為49.28 mm、75.27°和4.95 mm。如圖3 所示為優(yōu)化后行走輪齒面最大接觸應(yīng)力隨時(shí)間的演變曲線，還顯示了優(yōu)化前行走輪齒面的最大接觸應(yīng)力。由圖3 可知，優(yōu)化改進(jìn)前后行走輪齒面接觸應(yīng)力的演變規(guī)律基本類似，大約在0.6 s 時(shí)接觸應(yīng)力達(dá)到最大值。但是齒面接觸應(yīng)力最大值由優(yōu)化改進(jìn)前的789 MPa 降低到了優(yōu)化改進(jìn)后的690.4 MPa，最大接觸應(yīng)力的降低幅度約為12.5%。前文已述，接觸應(yīng)力會(huì)對(duì)齒面的磨損以及點(diǎn)蝕現(xiàn)象產(chǎn)生直接影響，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，使得行走輪齒面的接觸應(yīng)力大幅度降低，意味著行走輪機(jī)構(gòu)的磨損和點(diǎn)蝕現(xiàn)象會(huì)得到一定程度的改善，從而提升機(jī)構(gòu)的使用壽命，為牽引機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖3 優(yōu)化前后行走輪齒面最大接觸應(yīng)力演變曲線

3.3 應(yīng)用效果分析

根據(jù)優(yōu)化改進(jìn)后的牽引機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行生產(chǎn)加工，并將其應(yīng)用到采煤機(jī)工程實(shí)踐中。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)整體運(yùn)行良好，能夠保證牽引機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證的優(yōu)化改進(jìn)方案的可行性。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員反饋，優(yōu)化后牽引機(jī)構(gòu)的行走輪齒面磨損情況得到了很好的改善，初步估計(jì)行走輪的使用壽命能提升10%左右，為采煤效率的提升奠定了良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)牽引機(jī)構(gòu)的受力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)行走輪齒面接觸應(yīng)力較大，是導(dǎo)致齒面出現(xiàn)磨損和點(diǎn)蝕問(wèn)題的重要原因；

2）以行走輪模數(shù)、銷排斜線傾角、中心距變化量為優(yōu)化對(duì)象，以齒面接觸應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，確定的三個(gè)優(yōu)化對(duì)象數(shù)值依次為49.28 mm、75.27°和4.95 mm，通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)使齒面最大接觸應(yīng)力值降低了12.5%；

3）將優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用到采煤機(jī)工程實(shí)踐中，進(jìn)行調(diào)試后投入使用并取得了良好的效果，使得行走輪的使用壽命提升了10%左右，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。