劉 樂

（晉煤集團晟泰公司機電安裝分公司， 山西 晉城 048000）

引言

采煤機是煤礦行業(yè)中非常重要的機械設(shè)備，隨著我國技術(shù)水平的發(fā)展目前采煤機的總裝機功率已經(jīng)達到了相當高的水平，且未來必然朝著智能化方向發(fā)展[1]。由于煤礦生產(chǎn)的環(huán)境相對比較惡劣，因此采煤機在工作時容易受到外界因素的干擾，容易加快機器設(shè)備的損壞，在實際應(yīng)用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)不正常破壞情況[2]。而行走機構(gòu)中的行走輪失效就是其中比較典型的情況，如行走輪輪齒出現(xiàn)突然斷裂、齒面出現(xiàn)非正常磨損等[3-4]。因此，針對采煤機行走輪輪齒嚙合問題尚有很多工作需要做。

1 采煤機行走機構(gòu)主要結(jié)構(gòu)和原理

行走部是采煤機中重要的結(jié)構(gòu)，其主要作用就是確保采煤機能夠沿著輸送機的中部槽進行運動，而行走部中的行走機構(gòu)是其中主要的機械結(jié)構(gòu)[5]。行走機構(gòu)是確保行走部按照既定路線運動的重要保障，如果行走機構(gòu)在運行過程中出現(xiàn)故障必然會影響整個采煤機的正常穩(wěn)定工作。因此，在采煤機中，要求行走機構(gòu)具備較好的運行穩(wěn)定性。

行走機構(gòu)的基本工作過程可以描述為：一對相互嚙合的齒輪，其中主動齒輪由傳動箱的出軸驅(qū)動，而從動齒輪與行走輪直接連接，行走輪又通過齒輪與銷軌進行嚙合，通過多個齒輪之間的嚙合傳動將傳動箱中輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成為采煤機的直線運動，最終實現(xiàn)采煤機的運動[6]。行走輪與導向滑靴被安裝在相同的軸上，通過這種方式可以保障行走輪與銷齒之間嚙合的可靠性。其中，行走輪在工作過程中主要傳遞力矩確保采煤機的運動，而導向滑靴的作用主要是承擔采煤機的重量，同時進行導向。

行走輪以及銷排銷軌均為行走機構(gòu)的重要構(gòu)成部分，就當前的應(yīng)用情況而言，行走輪主要可以分為擺線輪和漸開線輪兩類。而根據(jù)節(jié)距的大小可以將銷軌大體上劃分成為小節(jié)距銷排和大節(jié)距銷排，根據(jù)銷齒的結(jié)構(gòu)形式可以將其劃分為I、Ⅱ和Ⅲ型銷齒。對于小節(jié)距銷排，主要采用前面兩種銷齒結(jié)構(gòu)，而大節(jié)距銷排則主要采用最后一種銷齒結(jié)構(gòu)。如圖1所示為行走機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式。

圖1 行走機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)

2 行走輪行走機構(gòu)的有限元分析

與理論分析方法相比較而言，有限元方法能夠更真實和直觀地反映行走機構(gòu)在運行過程中行走輪輪齒與銷排銷齒的接觸情況。這種方法可以忽略模型中部分條件的限制，比如不同形式的接觸形式和尺寸大小都能夠進行分析計算。就當前的發(fā)展來看，有限元方法已經(jīng)很成熟，在工程中得到了非常廣泛的應(yīng)用?；诖耍疚睦糜邢拊椒ń⒉擅簷C行走機構(gòu)有限元模型，并對不同結(jié)構(gòu)形式的行走輪輪齒和銷排銷齒的接觸應(yīng)力進行分析，最終實現(xiàn)走輪輪齒性能優(yōu)化之目的。

2.1 輪齒嚙合模型的建立

本文需要針對行走輪輪齒與銷排銷齒的接觸情況進行模擬分析，因此需要用到有限元分析中的接觸分析模塊。具體建模過程可以描述為：

1）建立待分析對象的三維結(jié)構(gòu)模型，導入有限元軟件中進行網(wǎng)格的劃分，并對網(wǎng)格進行診斷與修復；

2）對接觸進行有效識別，對目標面、接觸面進行設(shè)置；

3）定義相關(guān)參數(shù)，根據(jù)實際情況對模型的初始條件和邊界條件進行設(shè)置；

4）對求解過程進行合理設(shè)置，需要兼顧求解的速度和結(jié)果的精度，并對所建立的有限元模型進行求解計算；

5）后處理過程，主要對模擬計算得到的結(jié)果進行提取、計算和分析。

MG250/600-WD 和MG750/1815-WD 是采煤機中的典型型號，根據(jù)上述的建模過程，本文分別針對這兩種型號的采煤機建立了四組齒輪嚙合時的模型：600 漸開線輪與Ⅱ型銷齒、600 擺線輪與Ⅱ型銷齒、1815 漸開線輪與Ⅲ型銷齒、600 擺線輪與Ⅲ型銷齒。其中600 和1815 分別表示采煤機的型號。結(jié)合具體的應(yīng)用情況，在有限元軟件中將齒輪的齒面全部設(shè)置為柔體，而非剛體。如圖2 所示為行走輪輪齒和銷排銷齒接觸的有限元模型。

圖2 行走輪輪齒和銷排銷齒接觸的有限元模型

2.2 行走輪輪齒嚙合接觸情況結(jié)果

K表示兩個表面接觸時的剛度比例因子，其取值范圍為0.01～10，本文分別取不同K值計算了行走輪與銷排銷齒的接觸情況，計算結(jié)果見表1—表3。由表中數(shù)據(jù)可以看出，600 漸開線輪與Ⅱ型銷齒嚙合時最大值為888 MPa，600 擺線輪與Ⅱ型銷齒嚙合時最大值為945 MPa，1815 漸開線輪與Ⅲ型銷齒嚙合時最大值為1 275 MPa，1815 擺線輪與Ⅲ型銷齒嚙合時最大值為1 380 MPa。而行走輪比較常見的使用材料為18Cr2Ni4WA，對于這種材料，其屈服強度值為1 270 MPa，在工程計算中通常需要取安全系數(shù)進行計算，如果將安全系數(shù)取為1.25，那么該材料在使用過程中允許的最大應(yīng)力值則為1 016 MPa。

如圖3 所示為行走輪輪齒表面應(yīng)變和接觸應(yīng)力分布情況。由圖可知，在齒輪邊緣部位出現(xiàn)了應(yīng)力和應(yīng)變集中，該部位容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕問題，從而顯著降低齒輪的使用壽命。

3 行走輪輪齒性能優(yōu)化思路

從計算結(jié)果中可知，不管是漸開線輪還是擺線輪，在輪齒邊緣部位均出現(xiàn)了比較明顯的應(yīng)力集中問題，出現(xiàn)應(yīng)力集中部位的應(yīng)力是中間位置平均應(yīng)力的近兩倍。一旦出現(xiàn)應(yīng)力集中必然會加快齒輪的應(yīng)力腐蝕，進而顯著降低齒輪的使用壽命，因此，為了避免在實際運用中出現(xiàn)該應(yīng)力集中問題，在加工生產(chǎn)制造行走輪輪齒時，可以對輪齒進行修圓處理，避免在實際運用過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中的問題，從而延長其使用壽命，提升其運行的穩(wěn)定性和可靠性。

表1 600 漸開線輪與Ⅱ型銷齒嚙合的計算結(jié)果

表2 600 擺線輪與Ⅱ型銷齒嚙合的計算結(jié)果

表3 1815 漸開線輪和擺線輪分別與Ⅲ型銷齒嚙合的計算結(jié)果

圖3 行走輪輪齒表面應(yīng)變和接觸應(yīng)力分布情況

1815 型號采煤機漸開線輪和擺線輪的接觸應(yīng)力最大值全部大于材料能夠允許的最大應(yīng)力值，600型號采煤機較前者的接觸應(yīng)力值稍小，但也已經(jīng)接近使用材料的允許最大應(yīng)力值。且前文得到的結(jié)果是在理想條件下獲得，而機器在實際運行時的環(huán)境非常復雜，其受力情況將會更加復雜多變，導致行走輪齒輪齒面的實際接觸應(yīng)力比計算得到的結(jié)果大。毫無疑問的是，過大的接觸應(yīng)力會加劇齒面的磨損，嚴重時可能導致齒輪發(fā)生塑性變形，這種情況同樣會嚴重影響齒輪擬合的穩(wěn)定性，使得機器運行過程中產(chǎn)生較大的噪音，降低機器的運行效率，縮短行走輪的使用壽命?；诖耍斜匾鼡Q材料，以此來提升行走輪輪齒的最大需用應(yīng)力?；蚴轻槍X輪表面作特殊處理，提升齒輪表面的許用最大應(yīng)力值。通過更換材料或?qū)Ρ砻孑嘄X表面進行處理，能夠在一定程度上提升齒輪嚙合使用壽命。具體采用何種材料和表面處理方式需要進一步深入研究。

4 結(jié)論

1）對嚙合過程中的接觸應(yīng)力和應(yīng)變進行有限元分析得出結(jié)論：MG750/1815-WD 型號采煤機兩種結(jié)構(gòu)形式的行走輪輪齒的表面最大接觸應(yīng)力均超過了材料最大許用值，而MG250/600-WD 型號采煤機行走輪輪齒的表面最大接觸應(yīng)力也接近材料最大許用值，且在輪齒邊緣部位出現(xiàn)了應(yīng)變和應(yīng)力集中。

2）提出針對輪齒進行修圓處理，對行走輪輪齒材料進行優(yōu)化并對表面進行特殊處理的優(yōu)化思路。