关于采煤机行走轮使用中的疲劳寿命研究

2020-02-25杨永峰

机电工程技术 2020年1期

杨永峰

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西兴县 033602）

0 引言

随着采煤机在煤矿中的大量使用，保证其在长时间、超负荷、恶劣环境等工况下具有较高的结构性能，成为当下提高煤矿开采效率、增加企业经济效益的关键问题[1-3]。行走轮作为采煤机中的重要部件，其在与销排啮合接触过程中，受到了较大的拉力载荷和压力载荷的交替作用，加上齿面磨损的严重模型，导致整体结构出现严重的疲劳破坏现象，大大降低行走轮的使用寿命和采煤机的工作效率。因此，有必要对采煤机行走轮的疲劳寿命情况开展分析研究。以采煤机行走轮疲劳寿命特点为分析基础，采用PROE软件及ANSYS软件，建立了行走轮疲劳破坏的仿真模型，开展了行走轮的疲劳寿命仿真分析研究，并提出了提高行走轮疲劳寿命的相关措施[4-6]。该研究为开展提高行走轮疲劳寿命的优化改进研究提供了参考依据，对煤矿企业具有重要的现实价值。

1 行走轮疲劳寿命特点分析

行走轮的疲劳寿命是直接影响使用寿命的关键因素，其疲劳破坏主要体现为行走轮运动过程中，由于受到种种因素影响而产生了脆性断裂现象，其破坏程度与静力破坏有所不同。疲劳破坏是一个缓慢变化过程，主要从裂纹的产生到裂纹的逐渐扩散，最终发生结构的疲劳破坏，属于脆性断裂类型。其中，影响行走轮疲劳破坏的因素主要包括：在行走轮运动过程中产生了应力集中现象，此集中的应力极易导致行走轮发生疲劳破坏；同时，由于行走轮在使用过程中，其接触表面存在相互磨损，主要发生在轮齿接触处，产生了严重的不平整现象，增大了结构的表面粗糙度，加上行走轮自身的加工质量差等因素，最终也会导致行走轮发生疲劳破坏现象；另外，行走轮工作过程中，受到的外界载荷力大小、振动频率高低及较大载荷作用时间长短等因素，也会导致其发生疲劳破坏[7-8]。而结构的静力破坏是指结构在受到较大外界作用力下快速出现了结构断裂破坏的现象，属于塑性破坏类型，主要影响因素为外界的较大载荷作用导致。因此，降低行走轮的疲劳破坏程度，对提高其工作效率和使用寿命至关重要。

2 行走轮模型建立

2.1 三维模型建立

通过对行走轮疲劳特点的分析可知，其疲劳破坏发生位置主要集中在行走轮与销排的轮齿接触位置，而行走轮与销排啮合时，仅有2个齿轮发生啮合接触。因此，为进一步对行走轮疲劳破坏情况进行分析，提高分析速度，采用PROE软件，建立了采煤机行走轮部分轮齿的三维模型。为避免行走轮上非关键特征对分析结构的影响，提高分析精度，对行走轮轮齿上较小的过渡圆角进行了模型简化，仅保留了行走轮上轮齿的关键特征，从而建立了行走轮部分轮齿的三维模型，如图1所示。

图1 采煤机行走轮三维模型图

2.2 仿真模型建立

为进一步分析行走轮的疲劳强度，采用ANSYS软件，对行走轮的材料进行了设置。由于轮齿类材料在实际使用中，主要采用Q345、45号钢等，因此，选用了45号钢材料，对行走轮进行材料设置，其材料的主要性能参数如表1所示。同时，在软件中，对行走轮进行了四面体网格划分，网格大小设置为10 mm，网格数量约11 550个，其网格划分图如图2所示。由于行走轮运动过程中，其齿顶和齿根部位会受到较大的弯矩作用，因此，对行走轮齿顶的节点在法向方向进行载荷施加，并对轮的中心轴孔位置进行了全约束设置，由此建立了行走轮疲劳破坏仿真模型。

表1 行走轮45号钢材料主要性能参数

图2 采煤机行走轮网格划分图

3 行走轮疲劳寿命结果分析

结合建立的行走轮仿真模型，开展了不同齿面粗糙度、不同载荷大小因素影响下的行走轮疲劳强度仿真分析研究。

3.1 疲劳破坏仿真结果分析

图3为行走轮疲劳破坏仿真结果图。由图可知，行走轮的齿根部位出现了一定的应力集中现象，而齿顶的应力则相对较小，其他部位的应力则更小，可忽略不计。由此，可说明行走轮的疲劳破坏位置主要集中在轮齿根部，分析其原因为：轮齿根部在与销排啮合过程中，受到了不同大小的拉力和压力共同交变作用，导致其发生了较大的疲劳破坏，从而，找到了行走轮发生疲劳破坏较为严重的位置。

图3 行走轮疲劳破坏仿真结果图

3.2 不同齿面粗糙度的影响分析

由于行走轮工作中，会有大量的煤尘掉落至行走轮与销排的啮合处，煤尘与行走轮之间的不断摩擦，增大了其表面的粗糙程度，对行走轮的疲劳寿命产生了重要影响。因此，结合建立的仿真模型，开展了不同齿面粗糙度对行走轮疲劳寿命的影响分析。图4为不同粗糙度等级与行走轮疲劳寿命的变化曲线图。由图可知，随着粗糙度等级的增大，行走轮的疲劳寿命呈先稳定不变、再逐渐减小的变化趋势，其中，当粗糙度等级为1级和2级时，行走轮的疲劳寿命基本不变化且疲劳寿命最高。因此，有效提高行走轮齿面的光滑程度，降低齿面的粗糙程度，对提高行走轮的疲劳寿命至关重要。