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，而被廣泛應(yīng)用。其中，行走輪和銷排之間的相互嚙合，則是實現(xiàn)采煤機(jī)在工作面移動的重要動力。由于井下環(huán)境相對惡劣，加上行走輪與銷排作用時受到較大的沖擊作用，導(dǎo)致兩部件嚙合過程時經(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，對行走輪和銷排嚙合接觸過程進(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，開展了兩部件的嚙合過程仿真研究，并由此提出了行走輪與銷排嚙合時的改進(jìn)建議。對加大兩部件的結(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)對煤層的切割任務(wù)，包括滾筒、搖臂、傳動系統(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、傳動系統(tǒng)等，牽引電機(jī)輸出驅(qū)動力矩，帶動行走輪轉(zhuǎn)動，通過行走輪與銷排的相互嚙合接觸，實現(xiàn)采煤機(jī)在工作面的移動行走，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)具有開采效率高、故障率低、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點，整體的系統(tǒng)性能得到明顯提升，成為煤礦開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)過程中的行走，主要通過其自身結(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，推動采煤機(jī)向前行走。其中，由于采煤機(jī)作業(yè)過程中，經(jīng)常會產(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，由于兩部件長時間的運(yùn)行，其嚙合處的潤滑效果逐漸降低，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)生斷裂的根本原因為：行走輪和銷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，則會在輪齒表面產(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。

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，結(jié)合其實際結(jié)構(gòu)尺寸，采用Solidworks軟件，對采煤機(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，分析時需耗費大量的時間。為提高仿真結(jié)果的精度，縮短仿真時間，在三維模型建立中，對行走輪和銷排上的圓角、倒角及較小圓孔進(jìn)行了模型簡化，僅保留了行走輪和銷排上的關(guān)鍵特征，建立了簡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，將兩個零件的材料設(shè)置為40Cr材料，其材料屬性如表1所示。同時，采用四面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，對行走輪和銷排進(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，對銷排進(jìn)行了固定約束，對行走輪施加了旋轉(zhuǎn)力矩，并對行走輪與銷排之間設(shè)置滾動接觸，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 嚙合過程結(jié)果分析

4.1 行走輪與銷排接觸力分析

通過仿真分析，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方向的分力在整個運(yùn)動過程中，呈無規(guī)則的波動性變化，由于兩零件之間的接觸力主要由相互接觸時的摩擦力產(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)，而三個波谷則表明兩兩零件已經(jīng)嚙合分離，其中，整個過程中，嚙合接觸力最大值為480 kN，具有較大的接觸力。同時，由于兩零件沿X方向呈勻速嚙合移動狀態(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方向基本無相對位移變化，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接觸力的變化規(guī)律。在整個嚙合過程中，兩零件剛開始嚙合時具有較大的接觸力，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程中的結(jié)構(gòu)特性，提取了行走輪結(jié)構(gòu)，對其應(yīng)力變化進(jìn)行了分析，如圖5所示。

圖5 行走輪嚙合時應(yīng)力變化

由圖5可知，行走輪與銷排單齒嚙合過程中，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，在行走輪嚙合過程中，其輪齒節(jié)線附近相對較為薄弱，更容易發(fā)生疲勞失效故障，因此，需對該部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

5 結(jié) 語

綜上分析，行走輪和銷排在嚙合過程中受到了較大的接觸力和應(yīng)力集中現(xiàn)象，在長期運(yùn)行過程中，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)過程中，可通過增加行走輪的結(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)線部位的圓弧過渡、減小銷排的節(jié)距等措施來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。