采煤機行走輪輪齒性能的優化研究

劉 樂

（晉煤集團晟泰公司機電安裝分公司， 山西 晉城 048000）

引言

采煤機是煤礦行業中非常重要的機械設備，隨著我國技術水平的發展目前采煤機的總裝機功率已經達到了相當高的水平，且未來必然朝著智能化方向發展[1]。由于煤礦生產的環境相對比較惡劣，因此采煤機在工作時容易受到外界因素的干擾，容易加快機器設備的損壞，在實際應用過程中，經常出現不正常破壞情況[2]。而行走機構中的行走輪失效就是其中比較典型的情況，如行走輪輪齒出現突然斷裂、齒面出現非正常磨損等[3-4]。因此，針對采煤機行走輪輪齒嚙合問題尚有很多工作需要做。

1 采煤機行走機構主要結構和原理

行走部是采煤機中重要的結構，其主要作用就是確保采煤機能夠沿著輸送機的中部槽進行運動，而行走部中的行走機構是其中主要的機械結構[5]。行走機構是確保行走部按照既定路線運動的重要保障，如果行走機構在運行過程中出現故障必然會影響整個采煤機的正常穩定工作。因此，在采煤機中，要求行走機構具備較好的運行穩定性。

行走機構的基本工作過程可以描述為：一對相互嚙合的齒輪，其中主動齒輪由傳動箱的出軸驅動，而從動齒輪與行走輪直接連接，行走輪又通過齒輪與銷軌進行嚙合，通過多個齒輪之間的嚙合傳動將傳動箱中輸出的旋轉運動轉化成為采煤機的直線運動，最終實現采煤機的運動[6]。行走輪與導向滑靴被安裝在相同的軸上，通過這種方式可以保障行走輪與銷齒之間嚙合的可靠性。其中，行走輪在工作過程中主要傳遞力矩確保采煤機的運動，而導向滑靴的作用主要是承擔采煤機的重量，同時進行導向。

行走輪以及銷排銷軌均為行走機構的重要構成部分，就當前的應用情況而言，行走輪主要可以分為擺線輪和漸開線輪兩類。而根據節距的大小可以將銷軌大體上劃分成為小節距銷排和大節距銷排，根據銷齒的結構形式可以將其劃分為I、Ⅱ和Ⅲ型銷齒。對于小節距銷排，主要采用前面兩種銷齒結構，而大節距銷排則主要采用最后一種銷齒結構。如圖1所示為行走機構的主要結構形式。

圖1 行走機構的主要結構

2 行走輪行走機構的有限元分析

與理論分析方法相比較而言，有限元方法能夠更真實和直觀地反映行走機構在運行過程中行走輪輪齒與銷排銷齒的接觸情況。這種方法可以忽略模型中部分條件的限制，比如不同形式的接觸形式和尺寸大小都能夠進行分析計算。就當前的發展來看，有限元方法已經很成熟，在工程中得到了非常廣泛的應用。基于此，本文利用有限元方法建立采煤機行走機構有限元模型，并對不同結構形式的行走輪輪齒和銷排銷齒的接觸應力進行分析，最終實現走輪輪齒性能優化之目的。

2.1 輪齒嚙合模型的建立

本文需要針對行走輪輪齒與銷排銷齒的接觸情況進行模擬分析，因此需要用到有限元分析中的接觸分析模塊。具體建模過程可以描述為：

1）建立待分析對象的三維結構模型，導入有限元軟件中進行網格的劃分，并對網格進行診斷與修復；

2）對接觸進行有效識別，對目標面、接觸面進行設置；

3）定義相關參數，根據實際情況對模型的初始條件和邊界條件進行設置；

4）對求解過程進行合理設置，需要兼顧求解的速度和結果的精度，并對所建立的有限元模型進行求解計算；

5）后處理過程，主要對模擬計算得到的結果進行提取、計算和分析。

MG250/600-WD 和MG750/1815-WD 是采煤機中的典型型號，根據上述的建模過程，本文分別針對這兩種型號的采煤機建立了四組齒輪嚙合時的模型：600 漸開線輪與Ⅱ型銷齒、600 擺線輪與Ⅱ型銷齒、1815 漸開線輪與Ⅲ型銷齒、600 擺線輪與Ⅲ型銷齒。其中600 和1815 分別表示采煤機的型號。結合具體的應用情況，在有限元軟件中將齒輪的齒面全部設置為柔體，而非剛體。如圖2 所示為行走輪輪齒和銷排銷齒接觸的有限元模型。

圖2 行走輪輪齒和銷排銷齒接觸的有限元模型

2.2 行走輪輪齒嚙合接觸情況結果

K表示兩個表面接觸時的剛度比例因子，其取值范圍為0.01～10，本文分別取不同K值計算了行走輪與銷排銷齒的接觸情況，計算結果見表1—表3。由表中數據可以看出，600 漸開線輪與Ⅱ型銷齒嚙合時最大值為888 MPa，600 擺線輪與Ⅱ型銷齒嚙合時最大值為945 MPa，1815 漸開線輪與Ⅲ型銷齒嚙合時最大值為1 275 MPa，1815 擺線輪與Ⅲ型銷齒嚙合時最大值為1 380 MPa。而行走輪比較常見的使用材料為18Cr2Ni4WA，對于這種材料，其屈服強度值為1 270 MPa，在工程計算中通常需要取安全系數進行計算，如果將安全系數取為1.25，那么該材料在使用過程中允許的最大應力值則為1 016 MPa。

如圖3 所示為行走輪輪齒表面應變和接觸應力分布情況。由圖可知，在齒輪邊緣部位出現了應力和應變集中，該部位容易出現應力腐蝕問題，從而顯著降低齒輪的使用壽命。

3 行走輪輪齒性能優化思路

從計算結果中可知，不管是漸開線輪還是擺線輪，在輪齒邊緣部位均出現了比較明顯的應力集中問題，出現應力集中部位的應力是中間位置平均應力的近兩倍。一旦出現應力集中必然會加快齒輪的應力腐蝕，進而顯著降低齒輪的使用壽命，因此，為了避免在實際運用中出現該應力集中問題，在加工生產制造行走輪輪齒時，可以對輪齒進行修圓處理，避免在實際運用過程中出現應力集中的問題，從而延長其使用壽命，提升其運行的穩定性和可靠性。

表1 600 漸開線輪與Ⅱ型銷齒嚙合的計算結果

表2 600 擺線輪與Ⅱ型銷齒嚙合的計算結果

表3 1815 漸開線輪和擺線輪分別與Ⅲ型銷齒嚙合的計算結果

圖3 行走輪輪齒表面應變和接觸應力分布情況

1815 型號采煤機漸開線輪和擺線輪的接觸應力最大值全部大于材料能夠允許的最大應力值，600型號采煤機較前者的接觸應力值稍小，但也已經接近使用材料的允許最大應力值。且前文得到的結果是在理想條件下獲得，而機器在實際運行時的環境非常復雜，其受力情況將會更加復雜多變，導致行走輪齒輪齒面的實際接觸應力比計算得到的結果大。毫無疑問的是，過大的接觸應力會加劇齒面的磨損，嚴重時可能導致齒輪發生塑性變形，這種情況同樣會嚴重影響齒輪擬合的穩定性，使得機器運行過程中產生較大的噪音，降低機器的運行效率，縮短行走輪的使用壽命。基于此，有必要更換材料，以此來提升行走輪輪齒的最大需用應力。或是針對齒輪表面作特殊處理，提升齒輪表面的許用最大應力值。通過更換材料或對表面輪齒表面進行處理，能夠在一定程度上提升齒輪嚙合使用壽命。具體采用何種材料和表面處理方式需要進一步深入研究。

4 結論

1）對嚙合過程中的接觸應力和應變進行有限元分析得出結論：MG750/1815-WD 型號采煤機兩種結構形式的行走輪輪齒的表面最大接觸應力均超過了材料最大許用值，而MG250/600-WD 型號采煤機行走輪輪齒的表面最大接觸應力也接近材料最大許用值，且在輪齒邊緣部位出現了應變和應力集中。

2）提出針對輪齒進行修圓處理，對行走輪輪齒材料進行優化并對表面進行特殊處理的優化思路。