基于NCODE 疲劳分析对采煤机行走轮寿命的研究

范逢春

（山西恺晨矿用产品安全检测检验有限公司， 山西 太原 030000）

引言

我国作为煤炭产量世界第一的国家，对高性能的煤机设备有着巨大的需求，然而我国煤机设备行业却存在着技术研发落后、企业普遍规模较小、制造工艺更新缓慢等问题，从而导致了采煤机械易受破坏的情况发生。有数据统计显示，在机械破坏方面，疲劳破坏约占总影响的80%以上，其中采煤机行走轮是最容易受到疲劳破坏的位置，这主要是由于行走轮在生产中承受动态变幅循环载荷最多，承受冲击载荷最大，使其发生疲劳损坏的概率远远大于其他位置，从而也导致了行走轮整体寿命较短，制约了采煤机的安全生产。因此，对采煤机行走轮疲劳寿命影响因素展开分析。

1 行走轮疲劳寿命分析过程

疲劳分析，是指对材料或机械结构施加多次重复变化载荷的作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低时可能发生疲劳破坏的研究。ANSYS nCode 在疲劳耐久性设计领域具有完备功能和通用性，本文通过ANSYS nCode疲劳性分析研究，可以对采煤机行走轮的耐久性进行预先评估，从而减少物理试验，避免设计和加工而造成的资金浪费与损失，具体流程如图1 所示：通过对行走轮静强度、动力学载荷谱的获取和所使用材料的疲劳特性分析，得出数据结果。

对于采煤机行走轮疲劳分析需借助Miner 线性累积损伤理论，具体流程为：

1）通过ANSYS，对在特定载荷工况下，对行走轮进行静强度有限元的分析工作；

2）在nCode 软件中导入行走轮静强度的分析数据，并将材料的疲劳特性曲线输入软件（即为S-N曲线）；

图1 ANSYS-NCODE 疲劳分析流程

3）输入采煤机行走轮的动态载荷谱；

4）按照Miner 疲劳线性累积的原则，对行走轮疲劳损伤进行计算；

5）将计算结果通过nCode 软件生成云图，用以展示轮齿各个区域的疲劳寿命，并由最终判断易损位置。通过对行走轮劳易损位置的研究，不仅可以提高设备整体性的寿命，还可以对采煤机牵引部其他结构件存在的缺陷进行优化，为煤机行业的发展提供一定的参考价值。

2 行走轮疲劳分析

2.1 行走轮弯曲有限元分析

2.1.1 静力学分析模型

采煤机是一个集机械、电气和液压为一体的大型复杂系统，工作环境恶劣，工作面状况复杂，依靠在采掘工作面上不断前后移动、推进完成煤炭的开采工作。由于轮齿啮合处受力不断变化和影响，机械设备疲劳损坏的概率大幅增加。根据现有的文献发现，行走齿轮因其传动方式多为非共轭啮合，齿根因此将承受较大弯矩，从而造成应力集中的现象，出现较大载荷，当此时行走轮齿所受的力超过材料强度时，就会发生疲劳破坏的现象。同时研究发现，轮齿在受力时，齿根部分所受的弯矩最大，因此讨论轮齿的疲劳程度时，必须要先对轮齿齿顶两侧的受力情况进行分析，并掌握其应力分布情况。

通常而言，轮齿的啮合过程是由两个轮齿共同进行的，为了提高计算速度与效率，本文不对完整的行走轮建立物理模型，只选取关键的三个轮齿的作为有限元模型进行模拟计算，并在轮齿齿顶的左右两侧法向方向施加相应的载荷，其余的侧面设置为全约束，如图2 所示。

图2 轮齿两侧物理模型

2.1.2 结果分析

如图3 所示，将所建立的模型通过ANSYS 软件计算发现，应力的大小为施加于右侧略大于施加于左侧，也就是说，轮齿在受压时应力大于轮齿受拉时的应力。所得结果与实际生产中轮齿啮合的受力情况一致，说明此物理模型准确有效，将用于对轮齿寿命的进一步研究。

2.2 行走轮载荷谱的获取

如图4 所示，根据现有的ADAMAS 仿真结果并结合实际使用的情况来看，本文可以得到常规状态下，轮齿在啮合时的接触力与时间变化的曲线图，也就是轮齿的动载荷谱。

图3 行走轮轮齿受力时应力分布图

图4 行走轮载荷谱曲线

2.3 行走轮S-N 曲线的确定

由于齿轮是依靠本身的结构尺寸和材料强度来承受外载荷的，所以采煤机对齿轮要求所选材料，不仅要具备较高强度的韧性，还要具备一定得耐磨性。本文在对轮齿的模拟中选用材料为ZG30CrMnmo，此材料为含镍钢而研制的新钢种，具有低的过热敏感性、较好的淬透性、抗回火性和较小的回火脆化倾向等特点。再将ZG30CrMnmo 材料的各种属性在nCode 中完成定义，包括质量密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度等数据，最终行走轮材料的疲劳属性根据公式（1）计算，其应力与寿命间的对数关系可表示为：

式中：S 位应力幅值；N 位疲劳寿命。

3 疲劳寿命结果及分析

根据上页图1 介绍的轮齿疲劳寿命计算流程，依次导入轮齿静强度分析结果、动载荷谱文件、材料疲劳特性数据。为了计算轮齿全表面节点疲劳寿命长短的情况，需要在nCode 软件中将置信度设置为99%，并对模型进行Goodman 平均应力修正、应力幅值的雨流计数、轮齿表面粗糙度的计算。

如图5 所示为置信度设置成99%时，可以看出，整个模型受损最严重的位置为行走轮齿根部位，相较于其他部位疲劳寿命最短，寿命时限为2.23e+6次。也就是说，有99%的可靠度保证其在啮合2.23e+6次后才会有疲劳破坏的情况出现。该模拟数据虽然相较于实际应用时的数据较小，反映出整个部件疲劳受损的分布情况。

图5 行走轮轮齿疲劳寿命分布图

4 结论

1）由于行走轮的轮齿齿根左右侧频繁受到拉应力的作用，并且拉应力的交变效应也会造成轮齿表面产生裂纹，从而导致该部位极易出现疲劳破坏。

2）通过nCode 的计算显示，其结果验证了齿根为采煤机行走轮最易发生疲劳破坏的部位，特别是在施加特定载荷之后，高达99%的可靠度保证其齿轮的寿命约为2.23e+6次。

3）为了保证采煤机的工作效率、延长行走轮的使用寿命，可以通过专业设计优化行走轮齿轮齿形，适当降低节度圆半径的来减小轮齿所受弯矩；并在轮齿表面进行喷丸、渗氮等工艺提高轮齿粗糙度。