張瑞軍
(大陽泉煤礦有限公司,山西 陽泉 045000)
銷軌輪作為采煤機中的重要部件,主要起到傳遞轉(zhuǎn)動扭矩作用,以此驅(qū)動采煤機向前行走[1]。據(jù)統(tǒng)計,國內(nèi)采煤機中銷軌輪的使用壽命一般在3 個月左右,其結(jié)構(gòu)失效位置主要出現(xiàn)在齒頂及齒根等部位,一旦銷軌輪出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象,則將嚴重影響采煤機的運行效率及運行安全[2]。為此,采用有限元分析方法,開展了MG300/700 型采煤機銷軌輪在使用過程中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及結(jié)構(gòu)變形規(guī)律研究,并重點對銷軌輪進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進設(shè)計。這對提高銷軌輪的使用壽命具有重要指導(dǎo)意義。
MG300/700 型采煤機是市場上應(yīng)用較為成熟的采煤設(shè)備,其結(jié)構(gòu)總共包括主機架、截割電機、牽引電機、滾筒、機身、傳動箱、控制箱、液壓系統(tǒng)、端頭控制站、搖臂等[3]。其中,主機架采用了型材焊接方式進行固定連接,以保證機架具有較好的結(jié)構(gòu)強度和剛性。而牽引機構(gòu)則主要是利用銷軌輪與銷排進行無鏈牽引驅(qū)動,具有牽引力大、傳動轉(zhuǎn)矩高、運行平穩(wěn)等特點,增加了采煤機在井下的適應(yīng)性能。另外,采煤機中滾筒則采用了鎬型截割齒結(jié)構(gòu),可降低截割齒的損壞,延長滾筒的使用壽命,使其能對煤塊進行更好的開采。
銷軌輪作為采煤機中的關(guān)鍵部件,在與銷排進行嚙合時可理解為齒輪與直齒條之間的嚙合關(guān)系,在嚙合之后,在旋轉(zhuǎn)力矩的帶動下驅(qū)動采煤機按照直行方式進行運動。銷軌輪與銷排之間的嚙合示意圖如圖1 所示。
圖1 銷軌輪與銷排之間的嚙合示意圖
保證銷軌輪具有較長的使用壽命對保障采煤機的高效作業(yè)具有重要作用。銷軌輪在作業(yè)過程中常見的幾種失效形式有[4]:齒面磨損嚴重、輪齒開裂、輪齒斷裂等類型。其中,由于采煤過程中夾雜著較多的煤粉及雜質(zhì),經(jīng)常會聚集在銷軌輪與銷排之間的嚙合區(qū)域,銷軌輪在較小空間下承受著較大的摩擦力,從而引起銷軌輪發(fā)生了較為嚴重的磨損現(xiàn)象。同時,銷軌輪在低速傳遞扭矩過程中會承受著較大的外界載荷作用,加上采煤機自身重量較重,致使銷軌輪的齒面會產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力,一旦應(yīng)力超過了其材料的屈服強度,將極容易使輪齒發(fā)生結(jié)構(gòu)開裂或斷裂等失效現(xiàn)象,嚴重影響著采煤機的開采效率[5]。為此,有必要采用更加有效的方法對銷軌輪在使用過程中的結(jié)構(gòu)性能進行分析研究。
為進一步分析銷軌輪在運行過程中的傳遞轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)性能,采用了Solidworks 軟件對其進行結(jié)構(gòu)三維模型建立。在建模過程中,主要對銷軌輪的輪齒、過渡圓、中部軸孔等特征進行了模型建立,其中,輪齒齒數(shù)為9,模數(shù)為40 mm,分度圓直徑為360 mm,省去了模型中的較小圓孔、螺栓孔、圓角、倒角等特征,以此提高整個模型的仿真精度和計算速度。整個模型按照1∶1 的模型比例進行建立。所建立的銷軌輪三維模型如下頁圖2 所示。
圖2 銷軌輪三維模型圖
在完成銷軌輪的三維模型建立后,采用了ABAQUS 軟件,對其進行了仿真模型建立。在建模過程中,首先將銷軌輪保存為x-t 格式后,導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中。由于銷軌輪使用時采用的是40CrNiMo 材料,故在軟件中將其結(jié)構(gòu)的材料屬性設(shè)置為了40CrNiMo 材料,其材料的彈性模型為2.11×105Pa,泊松比為0.3,摩擦系數(shù)為0.3,屈服強度為400 MPa[6]。同時,結(jié)合銷軌輪的結(jié)構(gòu)特點,在對其進行網(wǎng)格劃分時,選用了Solid 實體單元類型和四面體網(wǎng)格類型,對其進行了網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm,并對模型的齒根區(qū)域進行了局部網(wǎng)格加密,如圖3 所示。另外,將銷軌輪中部及兩側(cè)均進行了自由度約束,中部軸孔處進行了旋轉(zhuǎn)約束,以實現(xiàn)對銷軌輪的全約束。由此,完成了銷軌輪仿真模型的建立。
圖3 銷軌輪網(wǎng)格劃分圖
結(jié)合所建立的銷軌輪仿真模型,得到了其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化圖,如圖4 所示。由圖4 可知,銷軌輪整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象,銷軌輪的齒頂與齒根等區(qū)域均出現(xiàn)了較為明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象,其中,在銷軌輪與銷排接觸的單個輪齒上的應(yīng)力最大,最大應(yīng)力出現(xiàn)在齒頂區(qū)域,輪齒中部應(yīng)力則相對較小,齒根及圓弧過渡處應(yīng)力也相對更高。由此可知,銷軌輪若長時間在此工況下作業(yè),容易率先在齒頂及齒根處發(fā)生結(jié)構(gòu)開裂或斷裂的失效現(xiàn)象,銷軌輪輪齒一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)失效,將嚴重影響著采煤機的行進速度。為此,在使用時需重點關(guān)注銷軌輪的結(jié)構(gòu)運行情況。
圖4 銷軌輪應(yīng)力變化圖
通過仿真分析,得到了銷軌輪的結(jié)構(gòu)變形圖,如圖5 所示。由圖5 可知,銷軌輪整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象,最大變形主要集中在銷軌輪的齒頂及齒根部位,其中齒頂區(qū)域的變形量最大,沿著齒根方向,結(jié)構(gòu)變形量呈減少趨勢,在齒根及過渡圓弧等區(qū)域的變形量也相對更高,由此可知銷軌輪的齒頂及齒根等區(qū)域是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位,其結(jié)構(gòu)變形規(guī)律與應(yīng)力的基本相似,可判斷會率先在銷軌輪的齒頂及齒根區(qū)域發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象,對采煤機的作業(yè)效率及安全性構(gòu)成了重要威脅,需進一步進行優(yōu)化改進研究。另外,銷軌輪與銷排之間的重合度對提高銷軌輪的結(jié)構(gòu)性能及降低其結(jié)構(gòu)變形具有重要影響。
圖5 銷軌輪的結(jié)構(gòu)變形圖
結(jié)合前文分析,可知銷軌輪在使用過程中,其齒頂及齒根等區(qū)域均出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象,是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位,嚴重影響著銷軌輪及采煤機的結(jié)構(gòu)性能及開采效率,因此,針對銷軌輪的受力特點提出了幾點結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施,具體如下:
1)根據(jù)銷軌輪的材料屬性特點,可選用屈服強度及彎曲強度更高的材料,如20Gr 材料,提高其材料的結(jié)構(gòu)強度及剛度,增加結(jié)構(gòu)的耐磨性;
2)在銷軌輪完成結(jié)構(gòu)生產(chǎn)加工后,可對其結(jié)構(gòu)進行表面的熱處理,包括對銷軌輪進行調(diào)質(zhì)、淬火及噴丸等表明熱處理,以使銷軌輪表面產(chǎn)生更多的殘余壓應(yīng)力,提高其結(jié)構(gòu)的彎曲強度;
3)在尺寸及空間允許情況下,增加銷軌輪的齒輪寬度、輪齒高度及中心軸直徑,使得銷軌輪具有更高的結(jié)構(gòu)強度;
4)在銷軌輪應(yīng)力集中的附近,開設(shè)孔徑較小的圓孔,可使集中的應(yīng)力能轉(zhuǎn)移至圓孔處,緩解銷軌輪上的應(yīng)力集中現(xiàn)象;
5)定期對銷軌輪于銷排之間的嚙合處進行維護保養(yǎng),添加潤滑油,定期清理嚙合處的煤灰等,保證銷軌輪與銷排之間具有較好的嚙合狀態(tài),減少嚙合磨損程度。
1)銷軌輪的齒頂及齒根等部位均是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位,極容易率先產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象,由此,從材料屬性、表面熱加工工藝、結(jié)構(gòu)尺寸等方面提出了銷軌輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進措施。
2)將優(yōu)化后的銷軌輪試運行1 年后發(fā)現(xiàn),整個銷軌輪結(jié)構(gòu)的強度更強,齒頂及齒根等區(qū)域未發(fā)生變形量及局部磨損現(xiàn)象,銷軌輪的整體結(jié)構(gòu)壽命和作業(yè)安全性明顯提升。