滚筒采煤机牵引部销轨轮强度的分析与优化

常晨雨

(山西西山煤电集团 屯兰矿,山西 太原 030206)

0 引言

随着我国煤矿综采设备设计和制造能力的快速发展，综采核心设备双滚筒采煤机已广泛应用于各大煤矿，其采高调整范围大、截割效率高，可适应各种复杂地质条件下的高效煤炭开采。除负责煤岩切割的截割部外，牵引部是采煤机的另一核心功能单元。

牵引部位于采煤机采空区一侧，在采煤机长度方向分为前后两部分。在牵引部作用下，采煤机在纵向截割煤岩的同时产生横向切割运动。目前常见的牵引形式包括销轨式、链轨式等，其中，采用销轨式牵引的牵引力大、运动平稳、制造难度低，因此被广泛采用。但井下作业条件恶劣，尤其是综采工作面，一方面，截割过程对机械设备的冲击、振动比较明显，另一方面，机械接触位置容易出现粉尘、矸石等异物，且金属零部件承受着高湿度、腐蚀性介质的破坏作用，因此牵引部的零部件易发生损坏，造成设备停机，严重影响煤矿的安全高效生产。

销轨轮是牵引部的重要组成零件，其齿面所受载荷大、啮合环境差，为提高销轨轮的强度和使用寿命，保障采煤机的稳定运行，本文利用ABAQUS有限元分析软件对销轨轮的强度进行分析和优化[1-3]。

1 销轨轮装配与工作特点

图1为销轨轮的安装示意图。轨座等间隔焊接在中部槽的挡板槽帮上，两轨座之间安装一根销轨排，从而在刮板输送机采空区侧形成销轨轨道；销轨轮安装于导向滑靴内，在电机和齿轮驱动下发生转动，并与销轨排上的销齿啮合，驱动采煤机沿刮板输送机的铺设方向不断移动。

采煤机自重主要由导向滑靴和支撑滑靴进行支撑，销轨轮主要克服滚筒上的截割阻力和机身滑动部分的摩擦阻力。由于受煤岩软硬和矸石分布影响，截割阻力波动性较大，因此销轨轮轮齿与销齿的啮合过程并不稳定，齿面磨损严重，且易发生销轨轮齿根折断等故障。

图1 销轨轮的安装示意图

2 销轨轮常见失效形式

采煤过程中，销轨轮始终旋转并与销齿啮合，其负载力矩大、使用环境差，因此实际使用中销轨轮的主要失效形式有以下几种：

(1) 销轨轮轮齿折断。一方面，截割过程遭遇矸石、金属等硬物时，截割阻力发生较大跳跃，销轨轮轮齿在冲击载荷作用下易折断；另一方面，销轨轨道在刮板输送机S弯处也呈现弯曲状态，采煤机行经此处时机身强迫扭转，销轨轮由此发生受力偏载，可能引发销轨轮轮齿折断。

(2) 销轨轮齿面塑性变形或剥落。由于采煤机截割阻力较大，因此销轨轮与销齿的啮合属于重载接触，当接触应力大于表层材料的屈服极限时，销轨轮齿面将发生塑性变形破坏；另外，当销轨轮齿面有明显应力集中时，在循环载荷作用下，载荷较大位置易发生局部剥落。

(3) 销轨轮齿面过度磨损。由于啮合位置处于开放状态，因此受多种腐蚀性液体侵蚀，另外，粉尘等异物易粘结在接触表面，导致接触条件变差，磨损加剧。

3 销轨轮与销齿接触模型的建立

为进一步研究销轨轮不同失效形式的发生机理，利用ABAQUS有限元软件对其接触位置的受力特性进行研究，从而为延长销轨轮使用寿命、预防提前失效提供理论基础。

由于销轨轮与销齿实际上仅有1个～2个齿发生啮合，因此为节省计算资源，应对销轨轮模型进行简化。首先在UG中分别建立销轨轮和销齿的三维模型，销轨轮模数为40 mm，齿数为9，齿宽为70 mm，压力角为20°；销齿为C型结构，斜面倾角为18°。然后将两模型分别保存为IGS文件格式，再导入有限元分析软件ABAQUS中，最后在该软件中进行装配和参数设置。得到的销轨轮与销齿啮合三维模型如图2所示。

图2 销轨轮与销齿啮合三维模型

在ABAQUS中分别设置销轨轮和销齿的材料参数。销轨轮材质为20CrMnMo，其弹性模量E=205 GPa，泊松比μ=0.3，由于仅研究弹性变形即可，因此无需设置屈服极限等参数。为给销轨轮施加驱动扭矩，需在其中心线上添加一处控制点，并与内孔表面进行耦合。根据实际生产经验，在该点上施加6×107Nm的扭矩。将销轨轮与销齿按接触位置关系进行装配，保证表面发生接触，然后设置接触条件为“零摩擦，硬接触”。最后，分别对两零件进行网格划分，可能的接触位置应对其网格进行局部加密。

4 有限元分析结果

4.1 齿根弯曲应力分析

图3为销轨轮的Mises等效应力云图。最大应力为1 071 MPa，位于与销齿的啮合接触位置。使用ABAQUS中的QUERY工具，对齿根两侧的Mises等效应力进行查看，单个齿的受力类似于悬臂梁，啮合作用力越大，齿根位置应力越大，在接触区一侧齿根应力为522 MPa，主要为拉伸应力；另一侧为453 MPa，主要为压缩应力。齿根两侧的应力均小于销轨轮材质20CrMnMo的屈服应力885 MPa，因此销轨轮在正常工况下不会发生折断。

但是，当销轨轮齿根部存在裂纹或者偏载明显时，在齿根部将会出现应力集中现象，进而引发裂纹扩展，最终导致销轨轮轮齿折断。

图3 销轨轮Mises等效应力云图

4.2 齿面接触应力分析

图4为销轨轮齿面接触区域的接触应力分布云图。接触区域宽度约为4 mm，最大接触应力为4 573 MPa，位于接触区长度两端，这主要由有限长圆柱体接触区两端的“边缘效应”引起，最大接触应力区域长度仅为5 mm左右；中部接触区域的平均接触应力为1 541 MPa。销轨轮齿面经过淬火处理后，淬火硬度为HRC55～HRC58，对应的强度极限为2 100 MPa～2 300 MPa，深度为1.5 mm，中部接触区域的平均接触应力小于硬化层强度极限，满足使用要求；边缘处最大接触应力明显大于硬化层的强度极限，容易发生局部塑性变形和表层剥落，应对齿面进行修形，弱化或消除“边缘效应”。

图4 销轨轮齿面接触区域的接触应力分布云图

5 齿面形状优化

为解决接触区的“边缘效应”问题，参考文献[4-6]将齿宽截面形状由直线形改为鼓形。通过分析计算，最佳鼓形量为0.05 mm。将原销轨轮模型在UG中进行修改，通过扫掠切除方式对齿面进行修形，获得鼓形量为0.05 mm的销轨轮，然后导入ABAQUS中重新计算。

鼓形量为0.05 mm齿形的销轨轮接触应力云图如图5所示。由图5可见，接触区两端的应力集中现象消失，在载荷力矩相同的情况下，接触区的最大接触应力降低至1 784 MPa，位于接触区中部，无应力集中现象，接触应力的数值变化较为缓和。此时的最大接触应力小于销轨轮齿面硬化层的强度极限，因此满足使用要求，不会发生塑性变形和剥落。由此可知，鼓形齿齿面可显著改善销轨轮的接触应力状态，消除端部应力集中，提高销轨轮使用寿命。

图5 鼓形量为0.05 mm齿形的销轨轮接触应力云图

6 结语

为提高采煤机牵引部中关键零件销轨轮的强度和使用寿命，本文首先分析了销轨轮的装配和工作特点，然后对其常见失效形式进行分析，在此基础上，利用UG和ABAQUS软件建立了销轨轮和销齿的有限元分析模型，通过对销轨轮根部Mises平均应力、啮合区域接触应力等的分析，发现销轨轮齿根强度满足要求，但啮合接触区两端存在应力集中，需进行齿面修形改善。通过鼓形齿修形，可基本消除齿面接触区的应力集中，降低最大接触应力，从而提高销轨轮的使用寿命。