不同工況下采煤機牽引部行走輪疲勞壽命的分析

閆春斌

（山西西山晉興能源有限公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

目前采煤機為煤礦開采中最關鍵的機械設備，在煤巖實際開采中，其與皮帶輸送機、液壓支架、刮板輸送機相互配合作業，實現煤層開采的高度機械化作業。采煤機四個組成部分包括牽引部、截割部、行走部、中間箱，其中，中間箱為采煤機的控制系統和動力能源，并通過某些控制元件完成整個系統的運轉安全，也為整個系統提供動力；行走部是通過齒輪軌嚙合作用于銷軌，完成采煤機的推移行走動作；截割部為采煤機的工作部件，擔負著煤礦生產中破煤和裝煤的艱巨工作；牽引部屬于采煤機的重要組成部件，其組成部分包括牽引驅動裝置、牽引機構、牽引部殼體、牽引電動機及附屬配置等，牽引部主要功能是實現采煤機移動行走的工作部件，同時，承擔著采煤機非工作狀態時的調動[1]。牽引部一般是采用漸開線齒輪-銷軌式嚙合的牽引機構，該機構組成部分包括行走輪、銷軌和導向滑靴等，采煤機就是利用嚙合刮板輸送機上的牽引軌道使其沿著工作方向循環往復動作。由于行走輪在實際運行中經常發生齒根斷裂等問題，影響其使用壽命[2]。

1 不同工況下采煤機牽引部行走輪疲勞壽命的分析

1.1 不同載荷大小

由于采煤機在實際工作中，工況的復雜程度不同造成牽引部行走輪受力情況不同。當增大行走輪載荷時，很大程度上也影響其疲勞壽命，行走輪載荷增大有以下幾種情形：一是在大傾角工況下運行的采煤機，由于其在上行采煤進程中其實是等同于爬坡，不僅會增大采煤機的牽引阻力，同時增大了行走輪載荷；二是在截割煤巖進程中，采煤機滾筒存在截割頂板或巖石包裹體的情形，會同時增大采煤機的牽引阻力和截割阻力，造成瞬時也增大了采煤機行走輪與銷排的接觸力；三是當采煤機某一個牽引部發生故障，或牽引部行走輪與銷排嚙合不好，都會造成前后行走輪出現不均勻現象，甚至造成某一時刻某一行走輪不受力作用的極端工況[3]，上述三種情況都會增大行走輪牽引力和齒根彎曲應力，因此，有必要分析行走輪載荷大小對其疲勞壽命的影響。

本文應用疲勞軟件nCode 分析不同載荷大小下行走輪的疲勞壽命，并通過改變行走輪載荷譜的比例參數，取值是0.8～1.6 倍，即獲得不同的載荷大小，其對應的疲勞壽命變化關系如表1 和圖1 所示。

表1 不同載荷工況下，采煤機牽引部行走輪的疲勞壽命

圖1 不同載荷大小對采煤機牽引部行走輪疲勞壽命的影響

從表1 和圖1 可看出，隨著載荷的增大，采煤機牽引部行走輪的疲勞壽命逐漸減小，當載荷增大20%時，行走輪疲勞壽命降低50%，表明載荷對行走輪疲勞壽命的影響程度較大，因此在采煤機實際運行中，不要出現前后行走輪受力不均勻的現象，避免增大行走輪的輪齒受力作用。

1.2 不同齒面粗糙度

采煤機行走部件作為齒輪傳動的開式傳動機構，由于其運行環境復雜惡劣，采煤機在實際操作中會出現煤巖掉落到銷排的現象，導致行走輪不能與銷排充分嚙合，隨著采煤機長時間的使用運轉，逐漸加重了行走輪輪齒表面的粗糙度。根據在運行中牽引部行走輪輪齒的受力特點，造成齒根處的輪齒受到的彎曲應力較大，并在交變載荷的作用下，位于齒根處的輪齒出現裂紋缺陷，進而導致輪齒發生破壞[4]，所以分析不同齒面粗糙度對行走輪疲勞壽命的影響具有重要的意義。

本文選取六個不同粗糙度等級對采煤機牽引部行走輪疲勞壽命進行分析，得到如表2 和圖2 所示的變化關系。

從表2 和圖2 可以看出，隨著齒面粗糙度的增大，采煤機牽引部行走輪的疲勞壽命逐漸減小。當行走輪齒面粗糙度從6 級逐漸提升至2 級時，對應的行走輪疲勞壽命依次提升0.4、1.5、2.6、3.5 倍。當行走輪齒面粗糙度是1 級、2 級時，行走輪的疲勞壽命無變化，此種情形下，行走輪載荷譜的大小就可決定行走輪的疲勞壽命。由于采煤機實際工況環境差，在運行動作中，開式傳動系統的行走機構不能很好地進行潤滑，因此行走輪輪齒磨損比較嚴重。可通過對輪齒材料的表面強度進行加大，進而提升行走輪輪齒面的粗糙度，比如對行走輪齒面采用噴丸、氮化、滲碳等工藝處理。

圖2 不同齒面粗糙度等級對牽引部行走輪疲勞壽命的影響

表2 不同齒面粗糙度下，采煤機牽引部行走輪的疲勞壽命

2 結論

1）隨載荷的增大，采煤機牽引部行走輪的疲勞壽命逐漸減小，當載荷增大20%時，行走輪疲勞壽命降低50%，表明載荷對行走輪疲勞壽命的影響程度較大。

2）隨齒面粗糙度的增大，采煤機牽引部行走輪的疲勞壽命逐漸減小。當齒面粗糙度大于2 級時，通過提高齒面粗糙度可提高行走輪疲勞壽命，當小于2 級時，對其疲勞壽命幾乎無影響。