薄宇雷

（山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)公司，山西忻州 036000）

0 引言

隨著國家對(duì)煤礦資源的大量開采，越來越多的煤礦開采設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。礦用破碎機(jī)作為煤礦開采中的重要設(shè)備，憑借其高破碎效率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，得到廣大煤礦行業(yè)的青睞[1]。齒環(huán)座作為破碎機(jī)中的關(guān)鍵部件，保證其具有較高的結(jié)構(gòu)性能，實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)的多碎少磨目標(biāo)，已成為當(dāng)下提高破碎機(jī)作業(yè)安全及作業(yè)效率的重要方向[2]。因此，以PS0820型破碎機(jī)上齒環(huán)座為研究對(duì)象，分析了其運(yùn)行中出現(xiàn)的各類故障失效問題，通過建立齒環(huán)座的仿真模型，開展了其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析研究，并對(duì)其結(jié)構(gòu)改進(jìn)及應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，這對(duì)提高齒環(huán)座的結(jié)構(gòu)性能具有重要作用，也能使破碎機(jī)更加廣泛地應(yīng)用到煤礦作業(yè)中。

1 齒環(huán)座使用中存在問題

目前，煤礦領(lǐng)域中一般采用了雙齒輥破碎機(jī)類型，其結(jié)構(gòu)主要由齒環(huán)座、電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、液力耦合器等部件組成，整套設(shè)備具有較好的煤礦開采破碎效果。但在其破碎機(jī)作業(yè)中，齒環(huán)座主要利用自身的剪切及擠壓作用，對(duì)煤石進(jìn)行破碎作業(yè)[3]，導(dǎo)致齒環(huán)座作業(yè)中不可避免地出現(xiàn)了不同程度的磨損或損壞問題。

（1）磨損失效

在破碎機(jī)破碎礦石過程中，齒環(huán)座上的輪齒將與礦石間發(fā)生較大的擠壓與剪切作用，而此過程中將會(huì)遇到較硬的礦石，這將對(duì)輪齒表面造成較大的切痕，并產(chǎn)生局部磨損。隨著齒環(huán)座不間斷的長時(shí)間作業(yè)，致使切痕的磨損程度不斷增大，最終使輪齒表面發(fā)生了塑性變形，產(chǎn)生了嚴(yán)重的磨損失效現(xiàn)象[4]。

（2）熱疲勞磨損失效

隨著齒環(huán)座對(duì)礦石的不斷破碎與切削，使得輪齒與物料之間因相互摩擦而產(chǎn)生了較大的摩擦熱能，致使齒環(huán)座的作業(yè)溫度不斷上升；當(dāng)物料與齒環(huán)座分離時(shí)，輪齒上的作業(yè)溫度又快速降低，齒環(huán)座表面溫度如此反復(fù)地發(fā)生變化，最終使其整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了熱疲勞磨損失效[5]。

（3）齒環(huán)座輪齒折斷失效

當(dāng)齒環(huán)座遇到較為堅(jiān)硬的礦石時(shí)，除了會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)表面造成嚴(yán)重的磨損外，還會(huì)使輪齒表面受到較大的沖擊載荷作用。隨著礦石硬度的增大，齒環(huán)座所受到的沖擊載荷也會(huì)相應(yīng)增大，齒環(huán)座在此工況條件下長期作業(yè)，最終會(huì)使齒輪座輪齒產(chǎn)生折斷失效現(xiàn)象[6]。

因此，針對(duì)破碎機(jī)齒環(huán)座作業(yè)中出現(xiàn)的故障失效問題，有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度開展分析研究，找到其作業(yè)時(shí)受力的變化規(guī)律，以此保證其結(jié)構(gòu)的可靠性及穩(wěn)定性。

2 齒環(huán)座結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 三維模型建立

根據(jù)破碎機(jī)齒環(huán)座在作業(yè)中存在的失效問題，有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度開展分析研究。因此，根據(jù)PS0820型破碎機(jī)上齒環(huán)座的結(jié)構(gòu)尺寸，采用Solidworks軟件，對(duì)其進(jìn)行了三維模型建立。在軟件中，對(duì)齒環(huán)座上非關(guān)鍵的圓角、倒角、過渡圓弧等特征進(jìn)行了模型簡化，僅保留了齒環(huán)座上關(guān)鍵的輪齒、斜面、頂部及根部等特征。由此，建立了齒環(huán)座的三維模型，如圖1所示。

圖1 齒環(huán)座三維模型圖

圖2 齒環(huán)座網(wǎng)格劃分圖

2.2 強(qiáng)度分析模型建立

結(jié)合建立的齒環(huán)座三維模型，將其導(dǎo)入ABAQUS軟件中，建立了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析模型。齒環(huán)座實(shí)際使用中采用的ZGMn13材料具有較強(qiáng)的韌性和耐磨性，因此，在軟件中將其結(jié)構(gòu)的材料設(shè)置為ZGMn13、泊松比為0.3、材料密度為7 850 kg/m3、楊氏模量為2.1 GPa、許用應(yīng)力為440 MPa。同時(shí)，采用了四面體網(wǎng)格類型，對(duì)其進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為5 mm，最終的單元數(shù)量為14 556個(gè)，模型的網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。整個(gè)模型的仿真時(shí)間設(shè)置為2 s，并采用standard求解方式。另外，在模型的單一齒尖部位施加了1.3 105N的恒定載荷。由此，建立了齒環(huán)座的強(qiáng)度分析模型。

3 齒環(huán)座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 應(yīng)力變化

通過開展齒環(huán)座仿真分析，得到了其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化云圖，如圖3所示。由圖可知，在齒環(huán)座上單一輪齒的根部發(fā)生了較大程度的應(yīng)力集中，其最大應(yīng)力值為23.4 MPa，主要集中在齒根的前端位置，其他部位的應(yīng)力也由齒根向齒頂部位呈無規(guī)律的逐漸減小趨勢(shì)；同時(shí)，在齒環(huán)座的中部通孔處也出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中。由此可知，齒環(huán)座的輪齒根部成為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在其結(jié)構(gòu)長期使用中，極容易率先發(fā)生疲勞失效現(xiàn)象。

圖3 齒環(huán)座應(yīng)力變化圖

3.2 結(jié)構(gòu)變形

通過仿真分析，得到了齒環(huán)座的結(jié)構(gòu)位移變化圖，如圖4所示。由圖可知，齒環(huán)座使用中，在其輪齒頂部發(fā)生了較大程度的結(jié)構(gòu)變形，其最大變形位移為0.001 12 mm，小于破碎機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中規(guī)定的0.5 mm，滿足設(shè)計(jì)要求；且結(jié)構(gòu)變形由齒頂部位向齒根部位呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，而齒環(huán)座的齒根部位幾乎未發(fā)生結(jié)構(gòu)變形。由此，找到了齒環(huán)座使用中的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，雖其齒頂部位的變形量相對(duì)較小，但齒環(huán)座在使用中，仍需對(duì)其齒頂部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)保護(hù)，避免因長時(shí)期作業(yè)或外部煤石的侵入而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)磨損或斷裂的失效故障。

圖4 齒環(huán)座結(jié)構(gòu)變形圖

4 齒環(huán)座結(jié)構(gòu)改進(jìn)及應(yīng)用效果分析

結(jié)合上述對(duì)齒環(huán)座的強(qiáng)度分析研究可知，其結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，在環(huán)境惡劣及長期運(yùn)行過程中，極容易發(fā)生結(jié)構(gòu)的疲勞失效問題。因此，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

（1）針對(duì)其齒根出現(xiàn)的應(yīng)力集中問題，可將齒環(huán)座齒根最大集中應(yīng)力處的圓弧尺寸由原來的近似直角改為圓角，尺寸為R5 mm；同時(shí)，將齒根另一對(duì)稱側(cè)也改為R5 mm。

（2）針對(duì)齒環(huán)座齒頂出現(xiàn)的較大程度結(jié)構(gòu)變形問題，可將其齒頂尖部的作用面積增加，并將輪齒厚度增加2 mm，齒頂處的直角也改為圓角設(shè)計(jì)。

（3）為進(jìn)一步保障齒環(huán)座的使用安全，可將其材料改為40Cr材料，該材料的屈服強(qiáng)度為780 MPa，具有更好的韌性和耐磨性。

（4）在齒環(huán)座使用中，定時(shí)對(duì)其嚙合處添加潤滑油和清理嚙合處的煤灰，保障齒輪嚙合時(shí)具有較小的摩擦阻力；結(jié)合齒環(huán)座運(yùn)行中出現(xiàn)的實(shí)際失效問題，可有針對(duì)性地對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)和維護(hù)保養(yǎng)。

由此，對(duì)齒環(huán)座進(jìn)行了改進(jìn)生產(chǎn)制作，并將改進(jìn)后的齒環(huán)座在PS0820型破碎機(jī)上進(jìn)行了將近5個(gè)月的應(yīng)用測(cè)試。在測(cè)試中，齒環(huán)座與最初結(jié)構(gòu)相比，齒頂?shù)哪p及變形程度明顯減小，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形嚴(yán)重、磨損嚴(yán)重或斷裂等故障的概率整體降低了近45%，破碎機(jī)設(shè)備因齒環(huán)座引起的無法正常運(yùn)行情況也大大減少。改進(jìn)后的齒環(huán)座獲得了更好的使用效果，整體結(jié)構(gòu)具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用性能，能更好地保證破碎機(jī)的運(yùn)行效率及作業(yè)安全，得到煤礦破碎機(jī)操作人員的一致認(rèn)可。

5 結(jié)束語

齒環(huán)座作業(yè)時(shí)出現(xiàn)的各類故障失效問題，已嚴(yán)重影響破碎機(jī)的工作效率及使用安全，加大對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析研究，已成為當(dāng)下企業(yè)重點(diǎn)考慮的方向。因此，以PS0820型破碎機(jī)上齒環(huán)座使用中存在的故障失效問題為基礎(chǔ)，通過開展齒環(huán)座的強(qiáng)度分析研究，找到了其齒根處為結(jié)構(gòu)的薄弱部位、齒頂處極可能率先出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞等結(jié)果，由此得到了其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度變化規(guī)律，最終對(duì)齒環(huán)座進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。改進(jìn)后的齒環(huán)座具有更好的結(jié)構(gòu)性能和作業(yè)安全，能更好地滿足破碎機(jī)的使用需求，這也為后期開展齒環(huán)座的進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了重要參考和指導(dǎo)。