范慶剛

(霍州煤電集團(tuán) 金能煤業(yè)有限公司，山西 忻州 034000)

采煤機(jī)作為煤礦開(kāi)采中的重要設(shè)備，因其生產(chǎn)效率高、性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用。其中，行走輪和銷排之間的相互嚙合，則是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在工作面移動(dòng)的重要?jiǎng)恿ΑＳ捎诰颅h(huán)境相對(duì)惡劣，加上行走輪與銷排作用時(shí)受到較大的沖擊作用，導(dǎo)致兩部件嚙合過(guò)程時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)磨損嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)斷裂等故障，嚴(yán)重影響著采煤機(jī)的生產(chǎn)效率和井下作業(yè)安全。提高采煤機(jī)行走輪與銷排的嚙合效果，已成為當(dāng)下提升采煤機(jī)生產(chǎn)效率的重要方法。

因此，基于采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)組成，對(duì)行走輪和銷排嚙合接觸過(guò)程進(jìn)行了分析，采用Solidworks及ABAQUS軟件，建立了行走輪與銷排的嚙合模型，開(kāi)展了兩部件的嚙合過(guò)程仿真研究，并由此提出了行走輪與銷排嚙合時(shí)的改進(jìn)建議。對(duì)加大兩部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)、保證采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)安全性具有重要意義[1-3]。

1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)組成

目前，國(guó)內(nèi)的采煤機(jī)種類較多，但其結(jié)構(gòu)主要由截割部、牽引部、中間箱、行走機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。其中，截割部主要負(fù)責(zé)對(duì)煤層的切割任務(wù)，包括滾筒、搖臂、傳動(dòng)系統(tǒng)等，滾筒的切割性能，直接影響著煤層的切割效率。牽引部主要負(fù)責(zé)采煤機(jī)的行走任務(wù)，主要包括行走輪、牽引電機(jī)、牽引箱、傳動(dòng)系統(tǒng)等，牽引電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)力矩，帶動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)行走輪與銷排的相互嚙合接觸，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在工作面的移動(dòng)行走，行走輪結(jié)構(gòu)性能的好壞，直接關(guān)系到采煤機(jī)的行進(jìn)速度和切割力度。目前，煤礦中的采煤機(jī)具有開(kāi)采效率高、故障率低、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，整體的系統(tǒng)性能得到明顯提升，成為煤礦開(kāi)采中不可或缺的生產(chǎn)設(shè)備。

圖1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)圖

2 行走輪與銷排嚙合接觸分析

采煤機(jī)在井下作業(yè)過(guò)程中的行走，主要通過(guò)其自身結(jié)構(gòu)上的行走輪與刮板輸送機(jī)上的銷排進(jìn)行嚙合接觸，在相互嚙合作用下，推動(dòng)采煤機(jī)向前行走。其中，由于采煤機(jī)作業(yè)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生較多的煤塵或煤粒，并直接掉入行走輪與銷排的嚙合接觸處，造成行走輪和銷排之間產(chǎn)生卡堵現(xiàn)象，導(dǎo)致兩部件之間的嚙合摩擦力顯著增加；同時(shí)，由于兩部件長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，其嚙合處的潤(rùn)滑效果逐漸降低，嚙合處的輪齒磨損也更加嚴(yán)重，由此降低了行走輪和銷排的嚙合效果。另外，行走輪經(jīng)常處于超負(fù)荷狀態(tài)作業(yè)，加上受到不均勻的外界載荷沖擊作用，導(dǎo)致行走輪和銷排之間的輪齒經(jīng)常出現(xiàn)輪齒變形、裂紋及結(jié)構(gòu)斷裂等故障失效現(xiàn)象，這對(duì)采煤機(jī)的作業(yè)效率及作業(yè)安全構(gòu)成了較大威脅。而造成輪齒發(fā)生斷裂的根本原因?yàn)椋盒凶咻喓弯N排輪齒由于受到交替變化的載荷作用，當(dāng)外界載荷大于材料的屈服極限時(shí)，則會(huì)在輪齒表面產(chǎn)生裂紋，并呈逐漸擴(kuò)散現(xiàn)象，最終使輪齒出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。因此，提高行走輪與銷排之間的嚙合效果，降低外界載荷對(duì)兩部件的沖擊作用，是當(dāng)下提高采煤機(jī)綜合性能的重要發(fā)展趨勢(shì)。

3 行走輪與銷排嚙合仿真分析

3.1 三維模型建立

根據(jù)行走輪與銷排嚙合接觸特點(diǎn)，結(jié)合其實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，采用Solidworks軟件，對(duì)采煤機(jī)行走輪及銷排進(jìn)行了三維模型建立。在該模型建立中，由于行走輪與銷排之間采用的是非線性接觸，分析時(shí)需耗費(fèi)大量的時(shí)間。為提高仿真結(jié)果的精度，縮短仿真時(shí)間，在三維模型建立中，對(duì)行走輪和銷排上的圓角、倒角及較小圓孔進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，僅保留了行走輪和銷排上的關(guān)鍵特征，建立了簡(jiǎn)化后的行走輪與銷排之間的嚙合模型，其三維模型如圖2所示。

圖2 行走輪與銷排三維模型

3.2 有限元仿真模型建立

結(jié)合建立的行走輪和銷排三維模型，采用ABAQUS軟件，對(duì)其進(jìn)行有限元模型建立。由于行走輪和銷排均為較大受力部件，因此，在該軟件中，將兩個(gè)零件的材料設(shè)置為40Cr材料，其材料屬性如表1所示。同時(shí)，采用四面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，對(duì)行走輪和銷排進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，為提高模型關(guān)鍵部位的仿真精度，對(duì)行走輪齒根部位進(jìn)行了網(wǎng)格加密，其網(wǎng)格劃分如圖3所示。另外，對(duì)銷排進(jìn)行了固定約束，對(duì)行走輪施加了旋轉(zhuǎn)力矩，并對(duì)行走輪與銷排之間設(shè)置滾動(dòng)接觸，由此，建立了行走輪與銷排的仿真模型[4-5]。

表1 40Cr材料主要性能參數(shù)

4 嚙合過(guò)程結(jié)果分析

4.1 行走輪與銷排接觸力分析

通過(guò)仿真分析，得到了行走輪與銷排之間接觸力變化曲線，如圖4所示。由圖4可知，接觸力沿Y方向的分力在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，呈無(wú)規(guī)則的波動(dòng)性變化，由于兩零件之間的接觸力主要由相互接觸時(shí)的摩擦力產(chǎn)生，因此，Y曲線上的三處波峰表示兩零件處于正常嚙合接觸狀態(tài)，而三個(gè)波谷則表明兩兩零件已經(jīng)嚙合分離，其中，整個(gè)過(guò)程中，嚙合接觸力最大值為480 kN，具有較大的接觸力。同時(shí)，由于兩零件沿X方向呈勻速嚙合移動(dòng)狀態(tài)，因此，其X方向的分力基本為恒定不變的牽引力，且為負(fù)值；另外，行走輪與銷排在Z方向基本無(wú)相對(duì)位移變化，故其沿Z方向的接觸力基本為零。此規(guī)律與行走輪與銷排實(shí)際嚙合狀態(tài)基本吻合，由此，掌握了行走輪與銷排之間嚙合時(shí)接觸力的變化規(guī)律。在整個(gè)嚙合過(guò)程中，兩零件剛開(kāi)始嚙合時(shí)具有較大的接觸力，在此位置更容易使兩零件發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。

圖3 行走輪與銷排網(wǎng)格劃分

圖4 行走輪與銷排接觸力變化曲線

4.2 行走輪應(yīng)力變化分析

為進(jìn)一步掌握行走輪嚙合過(guò)程中的結(jié)構(gòu)特性，提取了行走輪結(jié)構(gòu)，對(duì)其應(yīng)力變化進(jìn)行了分析，如圖5所示。

圖5 行走輪嚙合時(shí)應(yīng)力變化

由圖5可知，行走輪與銷排單齒嚙合過(guò)程中，隨著兩部件的逐漸嚙合，在其輪齒節(jié)線附近出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，并向齒輪的嚙合接觸線方向逐漸擴(kuò)散，此現(xiàn)象與前文得出的在兩部件剛嚙合接觸時(shí)存在較大接觸力作用基本吻合；而在輪齒的嚙合部位，應(yīng)力分布較為均勻。由此可知，在行走輪嚙合過(guò)程中，其輪齒節(jié)線附近相對(duì)較為薄弱，更容易發(fā)生疲勞失效故障，因此，需對(duì)該部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上分析，行走輪和銷排在嚙合過(guò)程中受到了較大的接觸力和應(yīng)力集中現(xiàn)象，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，極容易發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。因此，在兩零件后期改進(jìn)過(guò)程中，可通過(guò)增加行走輪的結(jié)構(gòu)厚度、提高行走輪和銷排的材料強(qiáng)度、增加行走輪輪齒節(jié)線部位的圓弧過(guò)渡、減小銷排的節(jié)距等措施來(lái)降低兩部件之間的接觸力作用和應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證兩部件之間具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能更好地滿足采煤機(jī)的使用需求。