MG300/700 型采煤機(jī)銷軌輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析

張瑞軍

（大陽泉煤礦有限公司，山西 陽泉 045000）

引言

銷軌輪作為采煤機(jī)中的重要部件，主要起到傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩作用，以此驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)向前行走[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)采煤機(jī)中銷軌輪的使用壽命一般在3 個(gè)月左右，其結(jié)構(gòu)失效位置主要出現(xiàn)在齒頂及齒根等部位，一旦銷軌輪出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，則將嚴(yán)重影響采煤機(jī)的運(yùn)行效率及運(yùn)行安全[2]。為此，采用有限元分析方法，開展了MG300/700 型采煤機(jī)銷軌輪在使用過程中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及結(jié)構(gòu)變形規(guī)律研究，并重點(diǎn)對(duì)銷軌輪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。這對(duì)提高銷軌輪的使用壽命具有重要指導(dǎo)意義。

1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

MG300/700 型采煤機(jī)是市場(chǎng)上應(yīng)用較為成熟的采煤設(shè)備，其結(jié)構(gòu)總共包括主機(jī)架、截割電機(jī)、牽引電機(jī)、滾筒、機(jī)身、傳動(dòng)箱、控制箱、液壓系統(tǒng)、端頭控制站、搖臂等[3]。其中，主機(jī)架采用了型材焊接方式進(jìn)行固定連接，以保證機(jī)架具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性。而牽引機(jī)構(gòu)則主要是利用銷軌輪與銷排進(jìn)行無鏈牽引驅(qū)動(dòng)，具有牽引力大、傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)，增加了采煤機(jī)在井下的適應(yīng)性能。另外，采煤機(jī)中滾筒則采用了鎬型截割齒結(jié)構(gòu)，可降低截割齒的損壞，延長(zhǎng)滾筒的使用壽命，使其能對(duì)煤塊進(jìn)行更好的開采。

2 銷軌輪與銷排的嚙合過程分析

銷軌輪作為采煤機(jī)中的關(guān)鍵部件，在與銷排進(jìn)行嚙合時(shí)可理解為齒輪與直齒條之間的嚙合關(guān)系，在嚙合之后，在旋轉(zhuǎn)力矩的帶動(dòng)下驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)按照直行方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。銷軌輪與銷排之間的嚙合示意圖如圖1 所示。

圖1 銷軌輪與銷排之間的嚙合示意圖

保證銷軌輪具有較長(zhǎng)的使用壽命對(duì)保障采煤機(jī)的高效作業(yè)具有重要作用。銷軌輪在作業(yè)過程中常見的幾種失效形式有[4]：齒面磨損嚴(yán)重、輪齒開裂、輪齒斷裂等類型。其中，由于采煤過程中夾雜著較多的煤粉及雜質(zhì)，經(jīng)常會(huì)聚集在銷軌輪與銷排之間的嚙合區(qū)域，銷軌輪在較小空間下承受著較大的摩擦力，從而引起銷軌輪發(fā)生了較為嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象。同時(shí)，銷軌輪在低速傳遞扭矩過程中會(huì)承受著較大的外界載荷作用，加上采煤機(jī)自身重量較重，致使銷軌輪的齒面會(huì)產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，一旦應(yīng)力超過了其材料的屈服強(qiáng)度，將極容易使輪齒發(fā)生結(jié)構(gòu)開裂或斷裂等失效現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著采煤機(jī)的開采效率[5]。為此，有必要采用更加有效的方法對(duì)銷軌輪在使用過程中的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究。

3 銷軌輪結(jié)構(gòu)模型的建立

3.1 三維模型的建立

為進(jìn)一步分析銷軌輪在運(yùn)行過程中的傳遞轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)性能，采用了Solidworks 軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)三維模型建立。在建模過程中，主要對(duì)銷軌輪的輪齒、過渡圓、中部軸孔等特征進(jìn)行了模型建立，其中，輪齒齒數(shù)為9，模數(shù)為40 mm，分度圓直徑為360 mm，省去了模型中的較小圓孔、螺栓孔、圓角、倒角等特征，以此提高整個(gè)模型的仿真精度和計(jì)算速度。整個(gè)模型按照1∶1 的模型比例進(jìn)行建立。所建立的銷軌輪三維模型如下頁圖2 所示。

圖2 銷軌輪三維模型圖

3.2 仿真模型建立

在完成銷軌輪的三維模型建立后，采用了ABAQUS 軟件，對(duì)其進(jìn)行了仿真模型建立。在建模過程中，首先將銷軌輪保存為x-t 格式后，導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中。由于銷軌輪使用時(shí)采用的是40CrNiMo 材料，故在軟件中將其結(jié)構(gòu)的材料屬性設(shè)置為了40CrNiMo 材料，其材料的彈性模型為2.11×105Pa，泊松比為0.3，摩擦系數(shù)為0.3，屈服強(qiáng)度為400 MPa[6]。同時(shí)，結(jié)合銷軌輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，選用了Solid 實(shí)體單元類型和四面體網(wǎng)格類型，對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，并對(duì)模型的齒根區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，如圖3 所示。另外，將銷軌輪中部及兩側(cè)均進(jìn)行了自由度約束，中部軸孔處進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)約束，以實(shí)現(xiàn)對(duì)銷軌輪的全約束。由此，完成了銷軌輪仿真模型的建立。

圖3 銷軌輪網(wǎng)格劃分圖

4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

4.1 應(yīng)力變化分析

結(jié)合所建立的銷軌輪仿真模型，得到了其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化圖，如圖4 所示。由圖4 可知，銷軌輪整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，銷軌輪的齒頂與齒根等區(qū)域均出現(xiàn)了較為明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中，在銷軌輪與銷排接觸的單個(gè)輪齒上的應(yīng)力最大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在齒頂區(qū)域，輪齒中部應(yīng)力則相對(duì)較小，齒根及圓弧過渡處應(yīng)力也相對(duì)更高。由此可知，銷軌輪若長(zhǎng)時(shí)間在此工況下作業(yè)，容易率先在齒頂及齒根處發(fā)生結(jié)構(gòu)開裂或斷裂的失效現(xiàn)象，銷軌輪輪齒一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，將嚴(yán)重影響著采煤機(jī)的行進(jìn)速度。為此，在使用時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注銷軌輪的結(jié)構(gòu)運(yùn)行情況。

圖4 銷軌輪應(yīng)力變化圖

4.2 結(jié)構(gòu)變形分析

通過仿真分析，得到了銷軌輪的結(jié)構(gòu)變形圖，如圖5 所示。由圖5 可知，銷軌輪整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，最大變形主要集中在銷軌輪的齒頂及齒根部位，其中齒頂區(qū)域的變形量最大，沿著齒根方向，結(jié)構(gòu)變形量呈減少趨勢(shì)，在齒根及過渡圓弧等區(qū)域的變形量也相對(duì)更高，由此可知銷軌輪的齒頂及齒根等區(qū)域是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，其結(jié)構(gòu)變形規(guī)律與應(yīng)力的基本相似，可判斷會(huì)率先在銷軌輪的齒頂及齒根區(qū)域發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，對(duì)采煤機(jī)的作業(yè)效率及安全性構(gòu)成了重要威脅，需進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)研究。另外，銷軌輪與銷排之間的重合度對(duì)提高銷軌輪的結(jié)構(gòu)性能及降低其結(jié)構(gòu)變形具有重要影響。

圖5 銷軌輪的結(jié)構(gòu)變形圖

5 銷軌輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)

結(jié)合前文分析，可知銷軌輪在使用過程中，其齒頂及齒根等區(qū)域均出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，嚴(yán)重影響著銷軌輪及采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)性能及開采效率，因此，針對(duì)銷軌輪的受力特點(diǎn)提出了幾點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，具體如下：

1）根據(jù)銷軌輪的材料屬性特點(diǎn)，可選用屈服強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度更高的材料，如20Gr 材料，提高其材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度，增加結(jié)構(gòu)的耐磨性；

2）在銷軌輪完成結(jié)構(gòu)生產(chǎn)加工后，可對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面的熱處理，包括對(duì)銷軌輪進(jìn)行調(diào)質(zhì)、淬火及噴丸等表明熱處理，以使銷軌輪表面產(chǎn)生更多的殘余壓應(yīng)力，提高其結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度；

3）在尺寸及空間允許情況下，增加銷軌輪的齒輪寬度、輪齒高度及中心軸直徑，使得銷軌輪具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

4）在銷軌輪應(yīng)力集中的附近，開設(shè)孔徑較小的圓孔，可使集中的應(yīng)力能轉(zhuǎn)移至圓孔處，緩解銷軌輪上的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

5）定期對(duì)銷軌輪于銷排之間的嚙合處進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，添加潤(rùn)滑油，定期清理嚙合處的煤灰等，保證銷軌輪與銷排之間具有較好的嚙合狀態(tài)，減少嚙合磨損程度。

6 結(jié)論

1）銷軌輪的齒頂及齒根等部位均是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易率先產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，由此，從材料屬性、表面熱加工工藝、結(jié)構(gòu)尺寸等方面提出了銷軌輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施。

2）將優(yōu)化后的銷軌輪試運(yùn)行1 年后發(fā)現(xiàn)，整個(gè)銷軌輪結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度更強(qiáng)，齒頂及齒根等區(qū)域未發(fā)生變形量及局部磨損現(xiàn)象，銷軌輪的整體結(jié)構(gòu)壽命和作業(yè)安全性明顯提升。