采煤机行走轮轮齿与销齿啮合的接触强度研究

陈 彪

（山西潞安集团蒲县新良友煤业有限公司， 山西 临汾 041200）

引言

众所周知，采煤机工况复杂且极其恶劣，现实中的使用情况说明轮齿-销排啮合传动来保持采煤机直线运行的方式存在许多的问题，例如矿物岩粒等杂质进入啮合区使，酸性液体进入啮合区，加之采煤机自身几十吨的重量，使得啮合时发生机构失效成为常见的现象。啮合时的接触失效是其中一种最为常见的失效方式[1]。这可以从疲劳裂纹的萌生与扩展的角度加以解释，由于工作环境与采煤机自身重量过大，轮齿-销排在啮合传动时一方面要承受采煤机的自重，另一方面矿物颗粒进入啮合区也使得啮合变得更加困难[2]。两方面的因素将造成巨大的接触应力，同时由于啮合是交变的，导致接触应力也是交变的，经过多次循环的交变接触应力作用后，齿面将在生产制造的表面微观缺陷区域产生局部塑性及晶体滑移，随着循环周次的增加，塑性变形增大将在局部产生微裂纹，微裂纹经表面拉应力的作用加速扩展，导致齿面剥落严重甚至会造成轮齿折断[3]。轮齿折断后会造成采煤机行走机构的整体失效，对井下作业人员的安全造成威胁，也对生产造成较大的时间损失和经济损失。因此有必要开展行走轮轮齿在啮合时接触强度计算的研究，使得研究方法能够为轮齿的设计与生产制造提供理论支持，也为其他类似产品的开发提供借鉴。

1 行走轮与销排三维模型的建立

在进行行走轮齿与销齿的接触分析之前，应先建立二者的三维模型。文章以某型采煤机的渐开线行走轮与销排为例，基于Solidworks建立二者的三维模型。其中行走轮的三维建模参数如表1所示[4]。

表1 渐开线行走轮参数

根据已有的渐开线齿轮关系式及表1中的参数，对渐开线行走轮进行建模，模型如图1所示。

根据节距尺寸，及现有的销排结构形式，建立节距为126 mm，数量为6个销齿的销排模型，其三维结构如图2所示。

图1 行走轮渐开线齿轮三维模型

图2 销排三维模型

2 渐开线齿轮轮齿与销齿的接触强度仿真

2.1 接触有限元模型的建立及材料信息

根据已经建立的三维模型导入有限元分析软件Ansys中，取一个渐开线齿轮轮齿与销齿的啮合情况作为研究对象，在啮合区域进行细致的网格划分，单元类型采用8节点Solid185单元以保证计算结果的精确性[5]。最终单元数量为3 564个，节点数量为2 581个。轮齿与销齿啮合有限元模型如下页图3所示。二者各自的材料信息设置为下页表2。

2.2 接触对创建

理想中行走轮轮齿与销齿的接触应为线接触，但实际工程中不存在线接触，因为在接触后结构发生变形，最后都变成了面对面接触。因此轮齿与销齿的接触也考虑为面对面接触。在Ansys中考虑到二者材料相近，采用Conta175单元来定义二者间的接触对，接触对应建立在二者间可能发生接触的位置，Ansys会在后续计算中自动判断哪些接触对生效并参与计算，即时刻跟踪接触运动。轮齿与销齿的接触对建立如图4所示。

图3 轮齿、销齿啮合有限元模型

表2 材料信息设置

2.3 载荷与边界条件的加载

轮齿与销齿啮合时主要承受行走轮的转矩作用，采煤机及其相关零部件确定后其输出转矩理论上为常值。在Ansys软件中，不能直接对结构施加转矩，需通过施加节点等效载荷的方式来体现转矩对于轮齿的驱动。经确定，行走轮所受转矩为44.3 kN·m，将转矩等效为面载荷均匀施加在轴孔接触面上，根据圣维南定理这样的等效是合理的简化，不会影响离轴孔较远处的接触位置的应力分布。在柱坐标系下每个节点切向受力大小的计算为：Fφ=由于二者啮合时行走轮只传递扭矩，应放开轴向自由度而其它自由度应限制，销齿应作全约束处理。载荷为及边界条件加载后如图5所示。

2.4 结果分析

完成上述步骤后即可获得销齿与轮齿的接触强度分析，结果如图6所示。

从图6中可以看出：轮齿与销齿接触面应力最大，且从啮合中心区到边缘呈现逐步变大的趋势，二者最大应力都出现在啮合线上的齿廓边缘，最大应力分别为389.1 MPa、272.5 MPa。理论上都没有超过材料的屈服应力但这个位置的轮齿折断等现象又经常发生。与实际情况一致，轮齿折断的现象是由疲劳引起的，即使齿廓边缘应力未超过材料屈服应力，但表面磨损、加工粗糙的地方形成微裂纹，循环作用后会在裂纹尖端形成塑性区，塑性区内微裂纹继续萌生，最终形核并在载荷的作用下进行扩展，最终造成断裂的现象。这也说明了分析结果是正确可靠的。在后续改进时，应注重轮齿及销齿的疲劳性能的提高从而达到预防轮齿断裂的目的。

图4 轮齿与销齿面面接触对的建立

图5 载荷及边界条件的施加

图6 轮齿销齿啮合接触应力分析结果

3 改进方案

1）选用疲劳强度更好、更耐磨的材料，结合合理的热处理方式，达到最佳工艺方案；

2）因为应力集中位置出现在齿廓边缘的部分，在加工时应尽可能地采用修缘措施，减少应力集中；

3）尽可能地保证行走轮的制造加工精度，最大限度地保证行走的每次行走都在规定的节距、中心距下，减少冲击对行走轮轮齿寿命的影响；

4）文章分析的微传统的两轮行走轮的啮合情况，可考虑四轮机构进一步减小每个行走轮的受力情况，降低应力，提高寿命。

4 应用效果

根据此改进方案，将行走轮轮齿进行了实际加工及在采煤机上的实际应用验证。在行走轮和销排长达6个月的运转中，其整体结构未出现明显的结构磨损或断裂现象，有效避免了原有结构存在的问题，且两部件的齿顶和齿根部位啮合程度相对较好，结构的耐磨性能得到了较大程度的提高。按照此规律推测，与原有的行走轮及销排相比，改进后的两个部件结构整体使用寿命将会提高将近3倍左右，也会使采煤机设备的故障率降低约30%，对企业来说，将会带来较大的经济效益。由此可说明：采用此研究及改进思路，可有效提高行走轮及销排的结构性能。