采煤機牽引機構(gòu)接觸應(yīng)力分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

楊曉林

（山西焦煤霍州煤電臨汾宏大隆博煤業(yè)， 山西 臨汾 042100）

0 引言

采煤機運行過程的穩(wěn)定性會對煤礦開采過程產(chǎn)生決定性影響，采取措施保障采煤機運行過程的可靠性，是保障煤礦開采過程連續(xù)性并提升開采效率的重要措施[1]。采煤機整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由不同部件構(gòu)成，各自發(fā)揮作用實現(xiàn)設(shè)備的行走并對煤巖進行截割[2]。牽引機構(gòu)的作用是實現(xiàn)采煤機的行進，工作時會承受波動性載荷，進而影響牽引機構(gòu)運行的可靠性[3]。基于此，有必要基于有限元方法對采煤機牽引機構(gòu)的動力學(xué)進行分析，明確牽引機構(gòu)中強度較為薄弱的位置，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進提供依據(jù)[4]。以MG132/320-W 型采煤機的牽引機構(gòu)為對象，對動力學(xué)過程進行分析，并對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，取得了良好的效果。

1 牽引機構(gòu)動力學(xué)模型的建立

1.1 三維模型建立

牽引機構(gòu)主要由三個零部件構(gòu)成，分別為行走輪、銷排和導(dǎo)向滑靴，行走輪心軸在牽引箱上固定，行走輪與銷排進行嚙合傳動，通過行走輪的轉(zhuǎn)動可以實現(xiàn)采煤機沿著銷排的移動[5]。導(dǎo)向滑靴的作用是保證行走輪與銷排具有良好嚙合狀態(tài)。利用UG 軟件根據(jù)MG132/320-W 型采煤機牽引機構(gòu)的實際結(jié)構(gòu)尺寸，建立三維實體模型。在UG 軟件中對以上三個零件進行裝配，建模過程中考慮到模型計算速度及收斂性問題，對部分曲面和倒角、倒圓進行省略處理，以簡化三維實體模型[6]。將建立的模型導(dǎo)出為Parasolid 格式并導(dǎo)入到Ansys 軟件中。

1.2 有限元模型建立

在Ansys 軟件中首先需要對模型進行網(wǎng)格劃分，考慮到本研究要對牽引機構(gòu)的結(jié)構(gòu)力學(xué)進行分析，因此在軟件中選用Solid186 型單元進行網(wǎng)格劃分。在綜合考慮模型計算精度以及計算時間的基礎(chǔ)上，將網(wǎng)格單元邊長設(shè)置成25 mm，劃分得到的網(wǎng)格單元數(shù)量為13 324 個，節(jié)點數(shù)量為15 392 個。材料方面，牽引機構(gòu)中三個結(jié)構(gòu)件的加工材料分別為20Cr2Ni4、40CrMnMo 和ZG25MnCrNiMo，以上三種材料的密度依次為7 880 kg/m3、7 900 kg/m3、7 850 kg/m3，楊氏模量依次為201 GPa、206 GPa 和202 GPa，泊松比分別為0.29、0.3 和0.3，屈服強度分別為1 080 MPa、980 MPa、835 MPa，抗拉強度分別為1 175 MPa、785 MPa、980 MPa。將以上材料參數(shù)輸入到有限元模型中，以便得到準(zhǔn)確的結(jié)果。如圖1 所示為采煤機牽引機構(gòu)的有限元模型。模型設(shè)置運行時間1.5 s，以便觀察牽引機構(gòu)連續(xù)運行過程中接觸應(yīng)力的變化情況。

圖1 采煤機牽引機構(gòu)的有限元模型

2 牽引機構(gòu)行走輪齒面接觸應(yīng)力結(jié)果

采煤機牽引機構(gòu)工作過程中，行走輪與銷排之間會產(chǎn)生接觸，且采煤機整體質(zhì)量較大，因此兩者之間會產(chǎn)生比較大的接觸應(yīng)力，從而加劇行走輪齒面的磨損，影響牽引機構(gòu)的運行穩(wěn)定性。完成有限元模型的分析計算工作以后，可以對行走輪的齒面接觸應(yīng)力進行提取分析。本文研究了行走輪齒面接觸應(yīng)力的連續(xù)變化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在本模擬進行到0.57 s 時，齒面接觸應(yīng)力達(dá)到最大值。如圖2-1 所示為行走輪齒面接觸應(yīng)力的分布云圖。由圖2-1 可知，行走輪齒面接觸應(yīng)力較大的部位主要是與銷排發(fā)生直接接觸的位置，在接觸線附近區(qū)域形成了接觸斑，在時間為0.57 s 時刻，除去個別網(wǎng)格出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象以外，齒面接觸應(yīng)力最大值達(dá)到了789 MPa。通過觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)行走輪齒面與銷排脫離接觸后，齒面接觸應(yīng)力快速降低至較小狀態(tài)。當(dāng)行走輪齒面承受較大的接觸應(yīng)力時，時間長久后不可避免地會出現(xiàn)磨損甚至點蝕的問題，從而加速行走輪的損壞，縮短行走輪的使用壽命。如圖2-2 所示為采煤機牽引機構(gòu)行走輪齒面的實物圖片，可以看出齒面部位出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損和點蝕現(xiàn)象。可見，有限元模擬結(jié)果與現(xiàn)實情況基本吻合，驗證了有限元模型的正確性。

圖2 行走輪齒面接觸應(yīng)力分布及其實際磨損情況

行走輪齒面過大的接觸應(yīng)力是導(dǎo)致齒面出現(xiàn)點蝕和磨損的重要原因之一，行走輪自身的形狀結(jié)構(gòu)尺寸會在一定程度上影響齒面的接觸應(yīng)力。因此，有必要對行走輪的結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化改進，以降低相同工況條件下行走輪齒面接觸應(yīng)力，從而提升行走輪結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3 牽引機構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

對行走輪齒面接觸應(yīng)力造成影響的因素是多方面的，在開展優(yōu)化改進工作時需要分析主要和次要影響因素，然后對主要因素進行分析，而忽略次要因素的影響。在分析實際情況的基礎(chǔ)上，確定了三個關(guān)鍵的影響因素，分別為行走輪模數(shù)、銷排斜線傾角、嚙合中心距，以上述三個因素為優(yōu)化對象。為了縮小優(yōu)化計算工作量，行走輪模數(shù)的取值范圍為48.06～50.61 mm，銷排斜線傾角的取值范圍為73°～79°，中心距變化量的范圍為-8～8 mm。

優(yōu)化改進工作利用Ansys 軟件完成，基本思路是在三個優(yōu)化對象取值范圍內(nèi)分別進行取值并建立有限元模型，所有模型除上述三個優(yōu)化對象的參數(shù)不同外，其他參數(shù)完全一樣。對所有模型進行分析計算，并提取行走輪齒面的接觸應(yīng)力演變情況，對比接觸應(yīng)力取最小的作為優(yōu)化結(jié)果。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)以上方案對采煤機牽引機構(gòu)的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，最終確定的行走輪模數(shù)、銷排斜線傾角和中心距變化量依次為49.28 mm、75.27°和4.95 mm。如圖3 所示為優(yōu)化后行走輪齒面最大接觸應(yīng)力隨時間的演變曲線，還顯示了優(yōu)化前行走輪齒面的最大接觸應(yīng)力。由圖3 可知，優(yōu)化改進前后行走輪齒面接觸應(yīng)力的演變規(guī)律基本類似，大約在0.6 s 時接觸應(yīng)力達(dá)到最大值。但是齒面接觸應(yīng)力最大值由優(yōu)化改進前的789 MPa 降低到了優(yōu)化改進后的690.4 MPa，最大接觸應(yīng)力的降低幅度約為12.5%。前文已述，接觸應(yīng)力會對齒面的磨損以及點蝕現(xiàn)象產(chǎn)生直接影響，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，使得行走輪齒面的接觸應(yīng)力大幅度降低，意味著行走輪機構(gòu)的磨損和點蝕現(xiàn)象會得到一定程度的改善，從而提升機構(gòu)的使用壽命，為牽引機構(gòu)的穩(wěn)定可靠運行奠定了堅實的基礎(chǔ)。

圖3 優(yōu)化前后行走輪齒面最大接觸應(yīng)力演變曲線

3.3 應(yīng)用效果分析

根據(jù)優(yōu)化改進后的牽引機構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸進行生產(chǎn)加工，并將其應(yīng)用到采煤機工程實踐中。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試發(fā)現(xiàn)整體運行良好，能夠保證牽引機構(gòu)的穩(wěn)定運行，驗證的優(yōu)化改進方案的可行性。經(jīng)現(xiàn)場技術(shù)人員反饋，優(yōu)化后牽引機構(gòu)的行走輪齒面磨損情況得到了很好的改善，初步估計行走輪的使用壽命能提升10%左右，為采煤效率的提升奠定了良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

1）通過對牽引機構(gòu)的受力進行分析，發(fā)現(xiàn)行走輪齒面接觸應(yīng)力較大，是導(dǎo)致齒面出現(xiàn)磨損和點蝕問題的重要原因；

2）以行走輪模數(shù)、銷排斜線傾角、中心距變化量為優(yōu)化對象，以齒面接觸應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，確定的三個優(yōu)化對象數(shù)值依次為49.28 mm、75.27°和4.95 mm，通過優(yōu)化改進使齒面最大接觸應(yīng)力值降低了12.5%；

3）將優(yōu)化改進方案應(yīng)用到采煤機工程實踐中，進行調(diào)試后投入使用并取得了良好的效果，使得行走輪的使用壽命提升了10%左右，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。