采煤機行走輪輪齒與銷齒嚙合的接觸強度研究

陳 彪

（山西潞安集團蒲縣新良友煤業有限公司， 山西 臨汾 041200）

引言

眾所周知，采煤機工況復雜且極其惡劣，現實中的使用情況說明輪齒-銷排嚙合傳動來保持采煤機直線運行的方式存在許多的問題，例如礦物巖粒等雜質進入嚙合區使，酸性液體進入嚙合區，加之采煤機自身幾十噸的重量，使得嚙合時發生機構失效成為常見的現象。嚙合時的接觸失效是其中一種最為常見的失效方式[1]。這可以從疲勞裂紋的萌生與擴展的角度加以解釋，由于工作環境與采煤機自身重量過大，輪齒-銷排在嚙合傳動時一方面要承受采煤機的自重，另一方面礦物顆粒進入嚙合區也使得嚙合變得更加困難[2]。兩方面的因素將造成巨大的接觸應力，同時由于嚙合是交變的，導致接觸應力也是交變的，經過多次循環的交變接觸應力作用后，齒面將在生產制造的表面微觀缺陷區域產生局部塑性及晶體滑移，隨著循環周次的增加，塑性變形增大將在局部產生微裂紋，微裂紋經表面拉應力的作用加速擴展，導致齒面剝落嚴重甚至會造成輪齒折斷[3]。輪齒折斷后會造成采煤機行走機構的整體失效，對井下作業人員的安全造成威脅，也對生產造成較大的時間損失和經濟損失。因此有必要開展行走輪輪齒在嚙合時接觸強度計算的研究，使得研究方法能夠為輪齒的設計與生產制造提供理論支持，也為其他類似產品的開發提供借鑒。

1 行走輪與銷排三維模型的建立

在進行行走輪齒與銷齒的接觸分析之前，應先建立二者的三維模型。文章以某型采煤機的漸開線行走輪與銷排為例，基于Solidworks建立二者的三維模型。其中行走輪的三維建模參數如表1所示[4]。

表1 漸開線行走輪參數

根據已有的漸開線齒輪關系式及表1中的參數，對漸開線行走輪進行建模，模型如圖1所示。

根據節距尺寸，及現有的銷排結構形式，建立節距為126 mm，數量為6個銷齒的銷排模型，其三維結構如圖2所示。

圖1 行走輪漸開線齒輪三維模型

圖2 銷排三維模型

2 漸開線齒輪輪齒與銷齒的接觸強度仿真

2.1 接觸有限元模型的建立及材料信息

根據已經建立的三維模型導入有限元分析軟件Ansys中，取一個漸開線齒輪輪齒與銷齒的嚙合情況作為研究對象，在嚙合區域進行細致的網格劃分，單元類型采用8節點Solid185單元以保證計算結果的精確性[5]。最終單元數量為3 564個，節點數量為2 581個。輪齒與銷齒嚙合有限元模型如下頁圖3所示。二者各自的材料信息設置為下頁表2。

2.2 接觸對創建

理想中行走輪輪齒與銷齒的接觸應為線接觸，但實際工程中不存在線接觸，因為在接觸后結構發生變形，最后都變成了面對面接觸。因此輪齒與銷齒的接觸也考慮為面對面接觸。在Ansys中考慮到二者材料相近，采用Conta175單元來定義二者間的接觸對，接觸對應建立在二者間可能發生接觸的位置，Ansys會在后續計算中自動判斷哪些接觸對生效并參與計算，即時刻跟蹤接觸運動。輪齒與銷齒的接觸對建立如圖4所示。

圖3 輪齒、銷齒嚙合有限元模型

表2 材料信息設置

2.3 載荷與邊界條件的加載

輪齒與銷齒嚙合時主要承受行走輪的轉矩作用，采煤機及其相關零部件確定后其輸出轉矩理論上為常值。在Ansys軟件中，不能直接對結構施加轉矩，需通過施加節點等效載荷的方式來體現轉矩對于輪齒的驅動。經確定，行走輪所受轉矩為44.3 kN·m，將轉矩等效為面載荷均勻施加在軸孔接觸面上，根據圣維南定理這樣的等效是合理的簡化，不會影響離軸孔較遠處的接觸位置的應力分布。在柱坐標系下每個節點切向受力大小的計算為：Fφ=由于二者嚙合時行走輪只傳遞扭矩，應放開軸向自由度而其它自由度應限制，銷齒應作全約束處理。載荷為及邊界條件加載后如圖5所示。

2.4 結果分析

完成上述步驟后即可獲得銷齒與輪齒的接觸強度分析，結果如圖6所示。

從圖6中可以看出：輪齒與銷齒接觸面應力最大，且從嚙合中心區到邊緣呈現逐步變大的趨勢，二者最大應力都出現在嚙合線上的齒廓邊緣，最大應力分別為389.1 MPa、272.5 MPa。理論上都沒有超過材料的屈服應力但這個位置的輪齒折斷等現象又經常發生。與實際情況一致，輪齒折斷的現象是由疲勞引起的，即使齒廓邊緣應力未超過材料屈服應力，但表面磨損、加工粗糙的地方形成微裂紋，循環作用后會在裂紋尖端形成塑性區，塑性區內微裂紋繼續萌生，最終形核并在載荷的作用下進行擴展，最終造成斷裂的現象。這也說明了分析結果是正確可靠的。在后續改進時，應注重輪齒及銷齒的疲勞性能的提高從而達到預防輪齒斷裂的目的。

圖4 輪齒與銷齒面面接觸對的建立

圖5 載荷及邊界條件的施加

圖6 輪齒銷齒嚙合接觸應力分析結果

3 改進方案

1）選用疲勞強度更好、更耐磨的材料，結合合理的熱處理方式，達到最佳工藝方案；

2）因為應力集中位置出現在齒廓邊緣的部分，在加工時應盡可能地采用修緣措施，減少應力集中；

3）盡可能地保證行走輪的制造加工精度，最大限度地保證行走的每次行走都在規定的節距、中心距下，減少沖擊對行走輪輪齒壽命的影響；

4）文章分析的微傳統的兩輪行走輪的嚙合情況，可考慮四輪機構進一步減小每個行走輪的受力情況，降低應力，提高壽命。

4 應用效果

根據此改進方案，將行走輪輪齒進行了實際加工及在采煤機上的實際應用驗證。在行走輪和銷排長達6個月的運轉中，其整體結構未出現明顯的結構磨損或斷裂現象，有效避免了原有結構存在的問題，且兩部件的齒頂和齒根部位嚙合程度相對較好，結構的耐磨性能得到了較大程度的提高。按照此規律推測，與原有的行走輪及銷排相比，改進后的兩個部件結構整體使用壽命將會提高將近3倍左右，也會使采煤機設備的故障率降低約30%，對企業來說，將會帶來較大的經濟效益。由此可說明：采用此研究及改進思路，可有效提高行走輪及銷排的結構性能。