李虹濤

(山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

連續(xù)采煤機(jī)是煤礦巷道掘進(jìn)采煤的重要設(shè)備。一般連采機(jī)采用左、右行走機(jī)構(gòu)對稱布置于兩側(cè)，交流變頻調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動輪正反轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)連采機(jī)的前進(jìn)和后退[1-2]。驅(qū)動輪是連采機(jī)重要的驅(qū)動零件，其能否可靠地運(yùn)行對煤礦生產(chǎn)效率具有重要影響。適當(dāng)提高采煤機(jī)的行進(jìn)速度可提高采煤機(jī)的工作效率，受履帶交變應(yīng)力的作用，驅(qū)動輪會產(chǎn)生應(yīng)力集中與變形，容易使輪齒發(fā)生斷裂[3-5]。為了解采煤機(jī)行進(jìn)速度對驅(qū)動輪應(yīng)力與變形的影響，本文采用有限元法對處于不同行進(jìn)速度下驅(qū)動輪輪齒的受力情況進(jìn)行分析，以便為合理選擇采煤機(jī)的行進(jìn)速度提供理論依據(jù)。

1 采煤機(jī)行進(jìn)過程的受力分析

截割頭是采煤機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)與采煤的主要執(zhí)行部件，截割頭上有眾多截齒對周圍的煤層進(jìn)行切割。分析掘進(jìn)采煤過程中截割頭的受力是分析驅(qū)動輪受力的前提。當(dāng)采煤機(jī)以水平速度v向前行進(jìn)時，截割頭的受力是復(fù)合力，煤層對截割頭有反作用力，為進(jìn)給阻力F1；同時，為方便切割，截割頭形狀為近似三角形，受其形狀的影響，截割頭還受到煤層對其的側(cè)向力F2。采煤機(jī)截割頭的受力分析如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)截割頭的受力分析

2 有限元分析

鑒于有限元法具有快速建模與強(qiáng)度分析能力，本文采用有限元法對采煤機(jī)的驅(qū)動輪進(jìn)行受力分析。連采機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)主要由底座、履帶和驅(qū)動輪組成，根據(jù)連采機(jī)廠家提供的具體參數(shù)，應(yīng)用目前主流的三維建模軟件SolidWorks對連采機(jī)的驅(qū)動輪進(jìn)行三維實(shí)體建模。將三維模型通過中間格式igs導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS，通過添加載荷和邊界條件，對驅(qū)動輪進(jìn)行應(yīng)力與變形求解。

2.1 載荷與約束

連采機(jī)驅(qū)動輪是在牽引電機(jī)的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，在驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動過程中，主要有4個齒與其相鄰的履帶板相互接觸，受煤層與巷道對采煤機(jī)截割反力的作用。驅(qū)動輪輪齒上的作用力主要為履帶板對其的反作用力，可分為垂直于齒面和與齒面相切的兩個分力，兩個分力大小可根據(jù)文獻(xiàn)[3]提出的方法來計算。驅(qū)動輪輪齒的約束及載荷如圖2所示，其中X方向?yàn)榕c齒面垂直方向，Y向?yàn)榕c齒面相切的方向，垂直于X方向。

為簡化計算，只在主要受載的輪齒2上單獨(dú)添加載荷條件。在有限元分析軟件ANSYS中，添加垂直于齒面的法向載荷Fx和Fy，輪齒內(nèi)部添加固定約束，釋放沿軸線旋轉(zhuǎn)的自由度。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]提供的方法，對掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度為3 m/min～7 m/min時的截割反力Fx、Fy進(jìn)行求解，其結(jié)果如圖3所示。

2.2 有限元分析結(jié)果

在有限元分析后處理中添加等效應(yīng)力與變形為分析結(jié)果。驅(qū)動輪在行進(jìn)速度為4 m/min時的應(yīng)力與變形云圖如圖4所示。從圖4中可知:驅(qū)動輪的最大應(yīng)力位于輪齒1的根部，最大應(yīng)力為47 MPa，齒輪齒根部位的應(yīng)力集中容易出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象；驅(qū)動輪的最大變形為0.018 mm，位于輪齒1的齒頂端部位。

2.3 掘進(jìn)速度對應(yīng)力與變形的影響

采用相同有限元分析方法與流程，對不同行進(jìn)速度下的驅(qū)動輪進(jìn)行受力分析，通過添加不同的掘進(jìn)反力Fx、Fy,求解不同掘進(jìn)速度下驅(qū)動輪的應(yīng)力與變形響應(yīng)，其結(jié)果如圖5所示。

圖2 驅(qū)動輪施加 圖3 不同掘進(jìn)速度 約束與載荷 對應(yīng)的截割反力

圖4 掘進(jìn)速度為4 m/min時驅(qū)動輪的應(yīng)力與變形分布

從圖5中可以看到:隨著行進(jìn)速度的增大，驅(qū)動輪齒的最大應(yīng)力與變形快速上升。驅(qū)動輪材料為42CrMo，其屈服極限為930 MPa，當(dāng)采煤機(jī)在速度小于7 m/min行進(jìn)時，驅(qū)動輪的應(yīng)力最大為130.2 MPa，遠(yuǎn)小于驅(qū)動輪材料的屈服極限，表明采煤機(jī)在該行進(jìn)速度下是安全的。

3 結(jié)語

針對連采機(jī)驅(qū)動輪容易失效問題，采用有限元法對連采機(jī)在不同行進(jìn)速度下驅(qū)動輪的應(yīng)力與變形進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：隨著行進(jìn)速度的增大，驅(qū)動輪的應(yīng)力與變形急劇增大，在行進(jìn)速度小于7 m/min時，驅(qū)動輪的最大應(yīng)力為130.2 MPa,小于材料的屈服極限，驅(qū)動輪是安全的。分析結(jié)果為合理選擇采煤機(jī)的行進(jìn)速度提供了理論依據(jù)。

圖5 行進(jìn)速度對驅(qū)動輪應(yīng)力與變形的影響