MG80BW型采煤機中行走輪的結構強度分析

李 政，李大偉

（1.山西華鑫電氣有限公司，山西 陽泉 045001；2.山煤國際煤業分公司，山西 太原030000）

0 引言

當前，隨著國家綜合國力的不斷提升，采煤機作為煤礦開采中的關鍵設備，保證其設備的較高綜合性能，已成為當前企業提高煤礦開采效率的關鍵點。然而，由于井下環境惡劣，加上采煤機經常處于超負荷、超長時間作業，導致其設備經常出現滾筒磨損嚴重、齒輪斷裂、電機燒壞等故障失效問題[1]。其中，采煤機行走部中行走輪由于與銷排嚙合接觸時受到較大外部沖擊載荷作用，導致其作業過程中出現了行走輪輪齒斷裂、磨損嚴重、塑形變形等故障失效問題，此事故一旦發生，采煤機將停止開采，方可對行走輪進行維修更換，這不僅嚴重影響著采煤機的開采效率，也導致了企業的生產成本大幅度增加[2]。為此，不斷結合采煤機現場工況條件，對行走輪的結構性能進行分析研究，找到其結構強度的變形規律，成為企業重點考慮方向。因此，以MG80BW型采機中行走輪為研究對象，開展其結構在不同工況下的結構性能研究，并提出了行走輪優化改進的措施，這對指導行走輪的結構優化具有重要指導意義。

1 采煤機行走部結構組成分析

采煤機作為煤礦開采中的關鍵設備，目前在市場上應用較為廣泛的是雙滾筒式結構，但基本都由牽引部、行走部、截割部、電氣系統等組成，具體包括機頭齒輪箱、滾筒、執行機構、傳動機構等部分[3]。其中，行走部中的關鍵部件包括行走輪和銷排等部件，主要使采煤機進行前后移動，并對其作業高低進行實時調節，而遷移速度及遷移力大小，則直接影響著整個煤礦設備的高效運行[4]。行走部經常采用齒輪傳動、滾輪齒傳動、鏈輪傳動等多種方式來產生遷移力，而齒輪傳動則是應用較為廣泛的行走輪和銷排傳動方式，行走輪主要分布在牽引箱的左右兩側，通過牽引箱中輸出的動力，帶動行走輪在銷排上嚙合前行，對采煤機的非工作姿態進行實時調節。行走輪在采煤機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

由于井下環境的惡劣性及特殊性，要求所設計的采煤機需具有較好耐磨性、較長使用壽命，減少采煤機因行走輪故障而出現的停機維修時間，提高采煤機的煤礦開采效率。結合采煤機實際現場及使用中存在的問題可知，行走輪在使用中經常出現齒面磨損嚴重、齒頂斷裂、齒根磨損嚴重、輪齒局部開裂，嚙合不緊密等故障失效現象。分析其原因為：行走輪在作業過程中采用了嚙合齒輪傳動，加上采煤機經常處于超負荷運轉和自身的幾十噸重量，導致行走輪自身所需承受的外部作用力相對較大。行走輪在嚙合區域也經常夾雜較多的煤礦顆粒，這無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，出現了輪齒磨損嚴重或突然折斷失效現象，行走輪外形結構示意圖如圖2所示。據調研，國內的采煤機行走輪使用壽命一般在2～3個月范圍內，而即使采用國外進口的行走輪結構，使用壽命也只能達到4～5個月，行走輪的更換頻率相對較高，同時，這也會使采煤機處于停機維修狀態，這無形中降低了煤礦開采效率，增加了企業的開采成本。采用科學、經濟的分析方式，對采煤機行走輪在不同工況下的結構強度變形情況進行分析研究，找到其結構強度的變化規律，提高行走輪的使用壽命，成為提高煤礦生產效率，降低企業成本的重要研究方向。

圖2 行走輪外形結構示意圖

3 行走輪分析模型建立

3.1 三維模型建立

結合行走輪存在的問題，為進一步掌握其結構性能，以MG80BW型采煤機中的行走輪為研究對象，采用了PROE三維軟件，對其進行了三維模型建立。在建模過程中，將行走輪的齒數設計為12，節距設計為125 mm，分度圓直徑設計為316 mm，并附行走輪中的非關鍵的過渡圓弧、圓角進行了模型簡化，同時，保證此些特征對行走輪分析結果的影響。

3.2 結構強度分析模型建立

同時，采用ABQUS軟件，將所建立的行走輪三維模型導入至此軟件中進行結構強度分析模型建立。由于行走輪在實際作業過程中，僅會使用1個輪齒進行接觸作業，為減少結構的分析時間和提高分析精度，僅對行走輪中的單一輪齒進行了強度模型建立。行走輪運行過程需具有較高的結構強度，在軟件中，將行走輪的材料設置成40Cr材料，其材料的屈服強度為785 MPa[6]，其他關鍵參數見表1。另外，由于行走輪的工況相對復雜，故對行走輪在受彎矩力作用和接觸作用下的模型進行了網格劃分，采用了實體單元類型，對行走輪進行了六面體網格劃分，網格大小設置成10 mm。針對行走輪的邊界條件問題，主要是對其齒根及底部進行了固定約束，其他部位為自由接觸狀態，行走輪網格劃分圖如圖3和圖4所示。由此，完成了行走輪單一輪齒的結構強度分析模型。

表1 40Cr材料關鍵參數

圖3 行走輪輪齒彎矩力下網格劃分圖

4 行走輪結構強度分析

4.1 彎矩作用下的應力分析

圖5 和圖6為行走輪輪齒在彎矩力作用下的應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，導致其整體結構出現了應力分布不均勻現象，其中，齒輪的齒頂部位最大應力值為735.5 MPa，已接近輪齒的屈服強度，從齒頂向齒根部，應力值呈先變小再變大的趨勢，齒根部的應力為244.5 MPa，局部區域出現了應力集中現象。由圖所知，輪值的齒頂部位的結構最大變形量為0.527 mm，沿著齒根方向，結構變形量呈逐漸減小趨勢。分析其原因為輪齒受到集中外部載荷。若行走輪在工況條件下長時間的超負荷作業，將極容易率先在齒頂部位出現結構變形、開裂或斷裂的失效現象，這將給采煤機的正常作業及作業安全性構成嚴重威脅。

圖6 行走輪輪齒位移變化圖

4.2 接觸作用下的應力分析

針對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截件，使其兩部件在一定作用力下相互接觸。通過仿真分析，得到了行走輪在此工況下應力和位移變化圖，如圖7和圖8所示。由圖可知，整個輪齒呈現分布不均勻的應力集中現象，最大應力值出現在輪齒的齒根與銷軸接觸部位，但最大應力值僅為222.8 MPa，未達到材料的屈服強度，輪齒結構上的應力值由齒根向四周呈逐漸減少的變化趨勢。由圖可知，輪齒的最大變形位移為0.262 mm，也出現了齒輪的齒頂部位，并沿齒根方向呈逐漸減少的變化趨勢。分析其原因為：輪齒與銷軸在嚙合時處于相對運動狀態，大大削弱了接觸部位的應力集中。由此可知，行走輪在此接觸作用工況下的結構強度相對較高，更能適應該中工況下的現場使用需求。

圖7 行走輪輪齒應力變化圖

圖8 行走輪輪齒位移變化圖

5 行走輪的改進建議

為進一步提高行走輪的結構強度，延長其結構使用壽命，保證采煤機的正常、高效作業，在前文分析基礎上，對行走輪的結構優化提出了改進建議，主要包括：

1）在后期研究中，可對行走輪在其他工況下的受力情況進行重點分析，找到行走輪在不同工況下的應力及位移變化規律，此可有根據的更加精確的提出行走輪的優化改進措施。

2）重點對行走輪與銷排之間的嚙合重合度進行優化改進。在設計時，可加大嚙合處的有效嚙合寬度，通過計算，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）加強行走輪與輪軸之間的潤滑改進，保證行走輪在嚙合及轉動過程中具有較低的摩擦阻力，保證行走輪運轉更加靈活。

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

5）在行走輪齒頂四周的應力集中區別，設計不影響其結構性能的2 mm較小圓孔，可有效將齒頂處受到的最大應力轉移至圓孔處，有效緩解行走輪上的應力集中現象。

6 結論

在采煤機運行過程中，企業專職人員需不定時的對行走輪進行維護保養，保證其嚙合處的清潔性及潤滑性，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的煤礦開采效率。而采用科學、有效、快速的有限元分析方法，對采煤機行走輪使用中的結構變形規律進行分析研究，已成為當前最為經濟可靠的研究方法。為此，利用有限元分析方法，以MG80BW型采煤機中行走輪為研究對象，對其結構在不同工況條件下的結構強度進行了分析研究，得出了行走輪的齒頂部位為薄弱部位，找到了其結構的應力及位移變化規律，提出了行走輪優化改進的措施，這為提高進一步提升行走輪的結構性能及使用壽命起到重要指導作用。