常晨雨

(山西西山煤電集團(tuán) 屯蘭礦,山西 太原 030206)

0 引言

隨著我國(guó)煤礦綜采設(shè)備設(shè)計(jì)和制造能力的快速發(fā)展，綜采核心設(shè)備雙滾筒采煤機(jī)已廣泛應(yīng)用于各大煤礦，其采高調(diào)整范圍大、截割效率高，可適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的高效煤炭開(kāi)采。除負(fù)責(zé)煤巖切割的截割部外，牽引部是采煤機(jī)的另一核心功能單元。

牽引部位于采煤機(jī)采空區(qū)一側(cè)，在采煤機(jī)長(zhǎng)度方向分為前后兩部分。在牽引部作用下，采煤機(jī)在縱向截割煤巖的同時(shí)產(chǎn)生橫向切割運(yùn)動(dòng)。目前常見(jiàn)的牽引形式包括銷(xiāo)軌式、鏈軌式等，其中，采用銷(xiāo)軌式牽引的牽引力大、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、制造難度低，因此被廣泛采用。但井下作業(yè)條件惡劣，尤其是綜采工作面，一方面，截割過(guò)程對(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊、振動(dòng)比較明顯，另一方面，機(jī)械接觸位置容易出現(xiàn)粉塵、矸石等異物，且金屬零部件承受著高濕度、腐蝕性介質(zhì)的破壞作用，因此牽引部的零部件易發(fā)生損壞，造成設(shè)備停機(jī)，嚴(yán)重影響煤礦的安全高效生產(chǎn)。

銷(xiāo)軌輪是牽引部的重要組成零件，其齒面所受載荷大、嚙合環(huán)境差，為提高銷(xiāo)軌輪的強(qiáng)度和使用壽命，保障采煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，本文利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)銷(xiāo)軌輪的強(qiáng)度進(jìn)行分析和優(yōu)化[1-3]。

1 銷(xiāo)軌輪裝配與工作特點(diǎn)

圖1為銷(xiāo)軌輪的安裝示意圖。軌座等間隔焊接在中部槽的擋板槽幫上，兩軌座之間安裝一根銷(xiāo)軌排，從而在刮板輸送機(jī)采空區(qū)側(cè)形成銷(xiāo)軌軌道；銷(xiāo)軌輪安裝于導(dǎo)向滑靴內(nèi)，在電機(jī)和齒輪驅(qū)動(dòng)下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并與銷(xiāo)軌排上的銷(xiāo)齒嚙合，驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)沿刮板輸送機(jī)的鋪設(shè)方向不斷移動(dòng)。

采煤機(jī)自重主要由導(dǎo)向滑靴和支撐滑靴進(jìn)行支撐，銷(xiāo)軌輪主要克服滾筒上的截割阻力和機(jī)身滑動(dòng)部分的摩擦阻力。由于受煤巖軟硬和矸石分布影響，截割阻力波動(dòng)性較大，因此銷(xiāo)軌輪輪齒與銷(xiāo)齒的嚙合過(guò)程并不穩(wěn)定，齒面磨損嚴(yán)重，且易發(fā)生銷(xiāo)軌輪齒根折斷等故障。

圖1 銷(xiāo)軌輪的安裝示意圖

2 銷(xiāo)軌輪常見(jiàn)失效形式

采煤過(guò)程中，銷(xiāo)軌輪始終旋轉(zhuǎn)并與銷(xiāo)齒嚙合，其負(fù)載力矩大、使用環(huán)境差，因此實(shí)際使用中銷(xiāo)軌輪的主要失效形式有以下幾種：

(1) 銷(xiāo)軌輪輪齒折斷。一方面，截割過(guò)程遭遇矸石、金屬等硬物時(shí)，截割阻力發(fā)生較大跳躍，銷(xiāo)軌輪輪齒在沖擊載荷作用下易折斷；另一方面，銷(xiāo)軌軌道在刮板輸送機(jī)S彎處也呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)，采煤機(jī)行經(jīng)此處時(shí)機(jī)身強(qiáng)迫扭轉(zhuǎn)，銷(xiāo)軌輪由此發(fā)生受力偏載，可能引發(fā)銷(xiāo)軌輪輪齒折斷。

(2) 銷(xiāo)軌輪齒面塑性變形或剝落。由于采煤機(jī)截割阻力較大，因此銷(xiāo)軌輪與銷(xiāo)齒的嚙合屬于重載接觸，當(dāng)接觸應(yīng)力大于表層材料的屈服極限時(shí)，銷(xiāo)軌輪齒面將發(fā)生塑性變形破壞；另外，當(dāng)銷(xiāo)軌輪齒面有明顯應(yīng)力集中時(shí)，在循環(huán)載荷作用下，載荷較大位置易發(fā)生局部剝落。

(3) 銷(xiāo)軌輪齒面過(guò)度磨損。由于嚙合位置處于開(kāi)放狀態(tài)，因此受多種腐蝕性液體侵蝕，另外，粉塵等異物易粘結(jié)在接觸表面，導(dǎo)致接觸條件變差，磨損加劇。

3 銷(xiāo)軌輪與銷(xiāo)齒接觸模型的建立

為進(jìn)一步研究銷(xiāo)軌輪不同失效形式的發(fā)生機(jī)理，利用ABAQUS有限元軟件對(duì)其接觸位置的受力特性進(jìn)行研究，從而為延長(zhǎng)銷(xiāo)軌輪使用壽命、預(yù)防提前失效提供理論基礎(chǔ)。

由于銷(xiāo)軌輪與銷(xiāo)齒實(shí)際上僅有1個(gè)～2個(gè)齒發(fā)生嚙合，因此為節(jié)省計(jì)算資源，應(yīng)對(duì)銷(xiāo)軌輪模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。首先在UG中分別建立銷(xiāo)軌輪和銷(xiāo)齒的三維模型，銷(xiāo)軌輪模數(shù)為40 mm，齒數(shù)為9，齒寬為70 mm，壓力角為20°；銷(xiāo)齒為C型結(jié)構(gòu)，斜面傾角為18°。然后將兩模型分別保存為IGS文件格式，再導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS中，最后在該軟件中進(jìn)行裝配和參數(shù)設(shè)置。得到的銷(xiāo)軌輪與銷(xiāo)齒嚙合三維模型如圖2所示。

圖2 銷(xiāo)軌輪與銷(xiāo)齒嚙合三維模型

在ABAQUS中分別設(shè)置銷(xiāo)軌輪和銷(xiāo)齒的材料參數(shù)。銷(xiāo)軌輪材質(zhì)為20CrMnMo，其彈性模量E=205 GPa，泊松比μ=0.3，由于僅研究彈性變形即可，因此無(wú)需設(shè)置屈服極限等參數(shù)。為給銷(xiāo)軌輪施加驅(qū)動(dòng)扭矩，需在其中心線(xiàn)上添加一處控制點(diǎn)，并與內(nèi)孔表面進(jìn)行耦合。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在該點(diǎn)上施加6×107Nm的扭矩。將銷(xiāo)軌輪與銷(xiāo)齒按接觸位置關(guān)系進(jìn)行裝配，保證表面發(fā)生接觸，然后設(shè)置接觸條件為“零摩擦，硬接觸”。最后，分別對(duì)兩零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可能的接觸位置應(yīng)對(duì)其網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。

4 有限元分析結(jié)果

4.1 齒根彎曲應(yīng)力分析

圖3為銷(xiāo)軌輪的Mises等效應(yīng)力云圖。最大應(yīng)力為1 071 MPa，位于與銷(xiāo)齒的嚙合接觸位置。使用ABAQUS中的QUERY工具，對(duì)齒根兩側(cè)的Mises等效應(yīng)力進(jìn)行查看，單個(gè)齒的受力類(lèi)似于懸臂梁，嚙合作用力越大，齒根位置應(yīng)力越大，在接觸區(qū)一側(cè)齒根應(yīng)力為522 MPa，主要為拉伸應(yīng)力；另一側(cè)為453 MPa，主要為壓縮應(yīng)力。齒根兩側(cè)的應(yīng)力均小于銷(xiāo)軌輪材質(zhì)20CrMnMo的屈服應(yīng)力885 MPa，因此銷(xiāo)軌輪在正常工況下不會(huì)發(fā)生折斷。

但是，當(dāng)銷(xiāo)軌輪齒根部存在裂紋或者偏載明顯時(shí)，在齒根部將會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致銷(xiāo)軌輪輪齒折斷。

圖3 銷(xiāo)軌輪Mises等效應(yīng)力云圖

4.2 齒面接觸應(yīng)力分析

圖4為銷(xiāo)軌輪齒面接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力分布云圖。接觸區(qū)域?qū)挾燃s為4 mm，最大接觸應(yīng)力為4 573 MPa，位于接觸區(qū)長(zhǎng)度兩端，這主要由有限長(zhǎng)圓柱體接觸區(qū)兩端的“邊緣效應(yīng)”引起，最大接觸應(yīng)力區(qū)域長(zhǎng)度僅為5 mm左右；中部接觸區(qū)域的平均接觸應(yīng)力為1 541 MPa。銷(xiāo)軌輪齒面經(jīng)過(guò)淬火處理后，淬火硬度為HRC55～HRC58，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度極限為2 100 MPa～2 300 MPa，深度為1.5 mm，中部接觸區(qū)域的平均接觸應(yīng)力小于硬化層強(qiáng)度極限，滿(mǎn)足使用要求；邊緣處最大接觸應(yīng)力明顯大于硬化層的強(qiáng)度極限，容易發(fā)生局部塑性變形和表層剝落，應(yīng)對(duì)齒面進(jìn)行修形，弱化或消除“邊緣效應(yīng)”。

圖4 銷(xiāo)軌輪齒面接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力分布云圖

5 齒面形狀優(yōu)化

為解決接觸區(qū)的“邊緣效應(yīng)”問(wèn)題，參考文獻(xiàn)[4-6]將齒寬截面形狀由直線(xiàn)形改為鼓形。通過(guò)分析計(jì)算，最佳鼓形量為0.05 mm。將原銷(xiāo)軌輪模型在UG中進(jìn)行修改，通過(guò)掃掠切除方式對(duì)齒面進(jìn)行修形，獲得鼓形量為0.05 mm的銷(xiāo)軌輪，然后導(dǎo)入ABAQUS中重新計(jì)算。

鼓形量為0.05 mm齒形的銷(xiāo)軌輪接觸應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，接觸區(qū)兩端的應(yīng)力集中現(xiàn)象消失，在載荷力矩相同的情況下，接觸區(qū)的最大接觸應(yīng)力降低至1 784 MPa，位于接觸區(qū)中部，無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象，接觸應(yīng)力的數(shù)值變化較為緩和。此時(shí)的最大接觸應(yīng)力小于銷(xiāo)軌輪齒面硬化層的強(qiáng)度極限，因此滿(mǎn)足使用要求，不會(huì)發(fā)生塑性變形和剝落。由此可知，鼓形齒齒面可顯著改善銷(xiāo)軌輪的接觸應(yīng)力狀態(tài)，消除端部應(yīng)力集中，提高銷(xiāo)軌輪使用壽命。

圖5 鼓形量為0.05 mm齒形的銷(xiāo)軌輪接觸應(yīng)力云圖

6 結(jié)語(yǔ)

為提高采煤機(jī)牽引部中關(guān)鍵零件銷(xiāo)軌輪的強(qiáng)度和使用壽命，本文首先分析了銷(xiāo)軌輪的裝配和工作特點(diǎn)，然后對(duì)其常見(jiàn)失效形式進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，利用UG和ABAQUS軟件建立了銷(xiāo)軌輪和銷(xiāo)齒的有限元分析模型，通過(guò)對(duì)銷(xiāo)軌輪根部Mises平均應(yīng)力、嚙合區(qū)域接觸應(yīng)力等的分析，發(fā)現(xiàn)銷(xiāo)軌輪齒根強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，但嚙合接觸區(qū)兩端存在應(yīng)力集中，需進(jìn)行齒面修形改善。通過(guò)鼓形齒修形，可基本消除齒面接觸區(qū)的應(yīng)力集中，降低最大接觸應(yīng)力，從而提高銷(xiāo)軌輪的使用壽命。