王振乾

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滾 筒采煤機(jī)牽引行走部將牽引電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)系最終傳遞到行走箱，行走箱為開(kāi)式傳動(dòng)的減速箱，其中行走輪組件為行走箱傳動(dòng)系中的最末級(jí)齒輪系。行走輪組件為采煤機(jī)牽引行走的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其行走輪和刮板輸送機(jī)的銷(xiāo)排以齒輪齒條的方式嚙合，驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)前進(jìn)[1]。由于工作環(huán)境惡劣、銷(xiāo)排連接處節(jié)距和嚙合中心距會(huì)小范圍內(nèi)波動(dòng)[2-3]，造成行走輪和銷(xiāo)排的嚙合條件差，所以行走輪是采煤機(jī)最易損壞的易損件之一。行走輪常見(jiàn)的失效形式為未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的情況下，部分輪齒受沖擊載荷突然斷裂及齒面滲碳淬火層劇烈磨損等[4]。

一旦行走輪由于斷齒不能繼續(xù)使用，則需要更換處理。常規(guī)更換流程為首先從采煤機(jī)行走箱上拆解整個(gè)行走輪組件，然后再?gòu)男凶咻喗M件上拆解、更換失效的行走輪。為了不嚴(yán)重影響生產(chǎn)，煤炭生產(chǎn)企業(yè)一般是用新行走輪組件直接替換失效的行走輪組件，將失效的行走輪組件從井下帶到地面維修車(chē)間，再更換行走輪。整個(gè)更換過(guò)程一般耗時(shí)最少一個(gè)生產(chǎn)班。同時(shí)，輪齒斷裂的行走輪則整個(gè)報(bào)廢。

為了實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)行走輪某齒斷裂后不用拆解整個(gè)行走輪組件而直接更換斷裂輪齒，以及循環(huán)利用行走輪的輪轂，筆者從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，提出了一種輪齒可拆解和替換的分體行走輪，并校核了其強(qiáng)度。

1 可拆換輪齒的行走輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采煤機(jī)行走箱及行走輪結(jié)構(gòu)如圖 1、2所示。行走輪和刮板輸送機(jī)銷(xiāo)排的嚙合傳動(dòng)屬于低速重載非共軛嚙合傳動(dòng)范圍[5]，行走輪為非標(biāo)準(zhǔn)系列模數(shù)的大型非精密傳動(dòng)齒輪，其模數(shù)由配套銷(xiāo)排的節(jié)距[6]確定，

式中：m為行走輪模數(shù)，mm；P為銷(xiāo)排節(jié)距，mm。

圖1 采煤機(jī)行走箱結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural sketch of walking box of shearer

圖2 行走輪組件Fig.2 Assembly of walking wheel

目前，刮板輸送機(jī)銷(xiāo)排節(jié)距有 125、147、172 mm等規(guī)格，由式 (1) 計(jì)算可知，采煤機(jī)行走輪最小模數(shù)m=39.79 mm。行走輪齒形一般為標(biāo)準(zhǔn)擺線、標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線及復(fù)合曲線等。由于模數(shù)非標(biāo)且大、齒形復(fù)雜，行走輪的齒形一般由成形銑刀一次加工成形。為保證低速重載傳動(dòng)的可靠性，行走輪為采用低碳合金鋼材料、齒面滲碳淬火的硬齒面齒輪，如圖 3所示。傳統(tǒng)整體式行走輪生產(chǎn)過(guò)程中，輪齒的滲碳時(shí)間約占整個(gè)流程的 1/3以上。

圖3 整體行走輪Fig.3 Whole walking wheel

進(jìn)入 21世紀(jì)以來(lái)，為了提高整體行走輪的使用壽命，業(yè)內(nèi)對(duì)其進(jìn)行了持續(xù)的改進(jìn)，如采取加大模數(shù)及齒面滲碳淬火層深度[7]；基于提高嚙合性能而優(yōu)化行走輪的齒廓曲線[8]；分析進(jìn)口采煤機(jī)行走輪金相組織，對(duì)比優(yōu)化國(guó)產(chǎn)行走輪材料及熱處理工藝[9]等。這些措施在一定程度上提高了行走輪的使用壽命，但均未從根本上解決因?yàn)檩嘄X斷裂后就必須更換整個(gè)行走輪以及更換周期長(zhǎng)的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，在保證整體互換性的前提下，筆者參考相關(guān)文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種輪齒可拆換的分體式行走輪，如圖 4所示，主要包括行走輪輪轂、輪齒、螺紋定位銷(xiāo)、防松墊圈等，從結(jié)構(gòu)上將行走輪的每個(gè)輪齒與其輪轂分離，通過(guò)鍵、銷(xiāo)、螺釘?shù)妊b配起來(lái)，并保持其功能不變，以實(shí)現(xiàn)行走輪的輪齒可拆換及輪轂可重復(fù)利用。

圖4 可拆換輪齒的分體式行走輪Fig.4 Split walking wheel with detachable sprocket

分體式行走輪的輪齒模塊完全保持原整體行走輪輪齒的齒形參數(shù)、齒面特性和傳動(dòng)特征，滲碳時(shí)，可以單獨(dú)對(duì)其輪齒模塊進(jìn)行滲碳，整爐可全部放入該輪齒模塊，提高了滲碳的效率。同時(shí)，單獨(dú)的輪齒模塊滲碳后淬火時(shí)其淬裂的可能性也大幅降低。

分體式行走輪的每個(gè)輪齒模塊在圓周方向上與輪轂通過(guò)卡槽內(nèi)的 2個(gè)扇形面小過(guò)盈配合定位，在軸向上與輪轂通過(guò)螺紋定位銷(xiāo)的圓柱銷(xiāo)段過(guò)盈配合定位。輪齒模塊與輪轂的連接緊固通過(guò)螺紋定位銷(xiāo)的螺紋預(yù)緊力完成，螺紋定位銷(xiāo)的防松由螺紋定位銷(xiāo)沉頭螺釘頭下的防松墊圈完成。原整體行走輪每個(gè)輪齒上法向力 (有效牽引力) 由輪齒根部承載，而分體式行走輪每個(gè)輪齒模塊的法向力 (有效牽引力) 由行走輪輪轂扇形卡槽止口和螺紋圓柱銷(xiāo)共同承擔(dān)。具體有效牽引力轉(zhuǎn)矩在行走輪輪轂扇形卡槽止口和螺紋圓柱銷(xiāo)之間的分配與輪轂輪緣厚度、螺紋銷(xiāo)直徑、行走輪齒數(shù)及模數(shù)有關(guān)。筆者研究的分體式行走輪模數(shù)為 46.79 mm，齒數(shù)為 11，螺紋銷(xiāo)直徑為 30 mm，輪緣厚度為 62 mm。采煤機(jī) 46.79 mm模數(shù)行走輪對(duì)應(yīng)配套刮板輸送機(jī) 147 mm節(jié)距的無(wú)鏈牽引系統(tǒng)，其最大可承載的牽引力為1 000 kN。按 0.8的安全系數(shù)加載，共加載 800 kN牽引力，經(jīng)計(jì)算，直徑為 30 mm實(shí)心強(qiáng)化調(diào)質(zhì)處理螺紋銷(xiāo)可承載 300 kN的剪切力，所以按螺紋圓柱銷(xiāo)承擔(dān)有效牽引力轉(zhuǎn)矩的 37.5%、輪轂扇形卡槽止口承擔(dān)62.5% 分配。

根據(jù)吳衛(wèi)東等人關(guān)于整體行走輪光彈試驗(yàn)輪齒受力區(qū)域的研究成果[11]，要求每個(gè)輪齒模塊齒根下方的實(shí)體徑向尺寸a至少需要達(dá)到相應(yīng)行走輪模數(shù)m的 1.2倍，即a≥1.2m；每個(gè)輪齒模塊圓周方向?qū)嶓w角度α≥ (360/2Z+5)°(Z為行走輪齒數(shù))，如圖 5所示。行走輪輪轂上相應(yīng)卡槽尺寸與每個(gè)輪齒模塊對(duì)應(yīng)配合。

圖5 輪齒模塊關(guān)鍵尺寸Fig.5 Key dimensions of sprocket module

2 分體式行走輪強(qiáng)度校核

由于行走輪輪齒的可拆換性及結(jié)構(gòu)尺寸即可保證其齒根在主受力范圍內(nèi)[12]，所以對(duì)單獨(dú)的輪齒模塊不再做強(qiáng)度校核。對(duì)于行走輪輪轂，主要承受輪齒模塊通過(guò)螺紋定位銷(xiāo)和扇形卡槽配合面?zhèn)鬟f的圓周力，使用相關(guān)有限元軟件計(jì)算校核。按以上計(jì)算的單側(cè)有效牽引力為 800 kN加載，模擬行走輪運(yùn)行時(shí)和銷(xiāo)排重合度[13]略微大于 1的實(shí)際運(yùn)行工況，將此有效牽引力全部加載到行走輪 1個(gè)輪齒模塊的分度圓上。經(jīng)加載計(jì)算后，行走輪輪轂受力部位扇形卡槽配合面的有效Von Mises綜合最大應(yīng)力為 834 MPa。行走輪常用材料為低碳 Cr、Ni合金鋼，經(jīng)適當(dāng)熱處理后，其抗拉強(qiáng)度可達(dá) 1 300 MPa。經(jīng)有限元計(jì)算的綜合 Von Mises應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力，安全系數(shù)≥1.55。輪齒有限元網(wǎng)格劃分如圖 6所示，加載方式及載荷如圖 7所示，應(yīng)力云圖如圖 8所示。

圖6 輪齒網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh division of sprocket

圖7 加載方式及載荷Fig.7 Loading mode and load

圖8 分體式行走輪應(yīng)力云圖Fig.8 Stress contours of split walking wheel

螺紋定位銷(xiāo)的預(yù)緊力矩[14]

式中：K為擰緊力矩系數(shù)；F為預(yù)緊力，N；d為螺紋公稱(chēng)直徑，mm。

按強(qiáng)度為 12.9級(jí)的 M24標(biāo)準(zhǔn)螺距螺釘計(jì)算，最終預(yù)緊力約為 410 kN。經(jīng)采煤機(jī)整機(jī)受力校核，此預(yù)緊力能滿足行走輪齒軸向力要求。

3 預(yù)期效果

首先，將傳統(tǒng)整體行走輪上每個(gè)輪齒從行走輪輪轂上剝離出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)單獨(dú)輪齒斷裂等損壞后可拆換而不用報(bào)廢整個(gè)行走輪，提高了設(shè)備的利用率，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上降低生產(chǎn)廠家設(shè)備成本，同時(shí)降低設(shè)備使用方的備品備件庫(kù)存和品類(lèi)；其次，當(dāng)輪齒可單獨(dú)拆換后，行走輪有部分齒損傷后維修時(shí)，不用將整個(gè)行走輪從行走輪組件上拆解下來(lái)，從而避免了拆、裝過(guò)程中對(duì)行走輪組件中軸承、密封件等完好零件的損傷，提高了行走輪組件的使用壽命；第三，分體式行走輪結(jié)構(gòu)將推動(dòng)實(shí)現(xiàn)每種模數(shù) (目前有 39.79、46.79、54.75 mm) 行走輪輪齒模塊在行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后可實(shí)現(xiàn)行走輪輪齒模塊像滾筒鎬型截齒一樣系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，方便用戶；第四，目前采煤機(jī)行走輪的熱處理工藝主要是對(duì)齒面的滲碳淬火，如滲碳層深 3 mm將耗時(shí)至少需要 100 h，而單獨(dú)對(duì)小的輪齒模塊進(jìn)行滲碳熱處理將提高每爐的裝爐量和熱處理效率，相對(duì)整體行走輪淬火，單獨(dú)對(duì)小的輪齒模塊淬火降低了淬裂報(bào)廢的可能性；最后，因單獨(dú)輪齒損壞或磨損時(shí)僅需更換單獨(dú)的輪齒模塊，降低了設(shè)備的維修時(shí)間，降低了維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了采煤機(jī)的開(kāi)機(jī)率。

初步預(yù)計(jì)，這種可拆解、替換輪齒的分體式行走輪將降低備件成本至少 65%。

4 結(jié)語(yǔ)

為解決采煤機(jī)行走輪組件中行走輪某齒斷裂后，不用拆解整個(gè)行走輪組件而直接更換斷裂輪齒及循環(huán)利用行走輪的輪轂，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度提出了一種輪齒可拆換的分體式行走輪。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核及預(yù)期效果等方面進(jìn)行了分析，理論認(rèn)為這種可拆換輪齒的分體式行走輪結(jié)構(gòu)可進(jìn)入產(chǎn)品試驗(yàn)階段。