基于接触应力分析的采煤机行走轮的优化研究

王亚超

（同煤浙能麻家梁煤业公司， 山西 朔州 036000）

引言

随着煤矿企业生产任务的加重，对采煤机运输设备提出了更高的要求。采煤机行走机构对采煤机及时移动和工作物资调动的工作性能有较大的影响。目前采煤机行走机构结构类型较多，各大煤矿主要采用齿轮销排型行走机构。该行走机构的齿轮受到工作负载、齿轮与轨道之间产生的接触应力，导致齿轮受到压应力或弯曲变形，在长时间的作用下会导致齿轮变形，影响采煤机输送过程的安全性。运输质量直接影响到了整个采煤过程的效率和经济性[1]。由于采煤机工作环境恶劣，行走机构齿轮的齿面在长时间受到载荷作用下会形成金属疲劳并产生磨损现象。采煤机自重达到几十吨，齿轮容易突然发生折断，导致使用寿命较短。目前我国采煤机行走机构齿轮的使用寿命一般为三个月，频繁更换齿轮会导致整个采煤工作过程的停止，降低了煤炭的生产能力。因此有必要改善行走机构齿轮布置方式，提高其使用寿命，确保煤炭生产过程的采煤效率[2]。

1 行走轮工况受力的分析

1.1 采煤机整体受力

为精确地建立行走的齿面与路面之间结合的精确仿真模型，需要对采煤机工作工况进行分析。本文以西南地区某矿区所采用的MG200型采煤机为研究对象，MG系列采煤机主要由上海设计院开发设计，适用范围广泛。该型号采煤机的齿数为14个，每一个齿轮的节圆半径为298.55 mm，两齿轮间的间距为125 mm。

根据实际工况情况，考虑极限载荷状况，将采煤机以刚体进行定义，分析其极限情况下的应力分析结果。如图1所示为MG200型采煤机整体结构分析受力图。此采煤机的受力分析，可为后期开展采煤机的行走轮的仿真分析提供理论基础。

图1 采煤机整体受力分析图

图 1 中：G为采煤机重力，F1～F3、N1～N3分别为前、后导向滑靴的约束，F4F5、N4N5分别为前、后支撑滑靴的约束力，F1x、F1y、F1z为前滚筒所受约束力，F2x、F2y、F2z为后滚筒所受约束力T1、T2为行走轮所受的牵引。

1.2 齿轮面受力分析

由于采煤机运输物料时自重可达到几十吨，并且受到工作地面所带来的摩擦力作用，齿轮受到较大的冲击，载荷齿轮面与工作轨道接触时会受到较大的接触应力，容易发生折断[3]。通过综合分析可知，造成齿轮面破损主要有两种应力形式，第1种是齿轮面所受到的弯曲引力，可造成齿轮折断，第2种是齿面与工作轨道的接触载荷，在局部形成较大的接触应力，会形成齿轮面的塑性变形和点蚀等破坏形式。以上两种破坏形式都会造成齿面的破坏，进而对齿轮的寿命造成不利的影响，因此，可从这两方面对延长齿轮使用寿命进行研究，降低工作载荷对齿轮齿面的破坏作用。齿轮面受力情况如下页图2所示。工作轨道的销柱对齿轮的作用力为法线方向的F，可以分解为：行走轮的有效牵引力Ft和提升力Fr。

2 有限元分析

2.1 三维模型的建立

通过实际MG200型采煤机结构图以及日常在运维过程中的行走示意图，建立MG200型采煤机的三维模型，对一些不相干的零部件进行简化，包括金属板、滑扣等零散部件进行扣除，将这些部件的重量在新建的三维模型中进行重新配重，使其满足实际的配重要求[4]。

图2 轮齿受力示意图

目前所采用的双滚筒采煤机齿轮—销行走机构是通过齿轮与销之间黏合而成，通过齿轮与销之间的约束力对采煤机行走限制，通过三维建模软件Proe对轨道结构和齿轮黏合结构分别建模，如图3、图4所示。

图3 轨道结构图

图4 齿轮黏合结构图

2.2 仿真模型的建立

通过ABAQUS软件对已建立的三维模型进行数据定义并设置边界条件。由于行走齿轮的结构具有对称性，只取其中一个齿进行局部的分析，定义齿面—销部位的接触参数，开展局部研究，可分析出整体结构齿的接触应力分布情况。

材料属性定义如下，根据实际现场情况得知材料一般为18Cr2Ni4W，弹性模量为2.2×1011Pa，泊松比为0.3，为确保仿真的精确性，将每一个有限元单元体定义为C3D8I六面体结构，对接触面的局部网络进行细致划分，提高求解精度、最终结构单元总数为9076，对齿轮加载时应将两侧与底部对称性施加载荷[5]，确保边界条件的准确性。仿真模拟图如图5所示。

在定义接触作用力的时候，应将主接触面设置为齿轮，从接触面设置为销柱结构，设置边界条件的时候，应将销柱进行固定，对于齿轮一侧预留一个自由度[6]。完成载荷定义与边界条件设置之后，开展有限元仿真求解。

图5 接触应力模型网格示意图

2.3 结果分析

如图6所示，现有普通行走轮的齿轮在与销排接触后，其应力分布主要集中于齿轮的中部与根部，形成了应力集中现象，最大的接触应力值为223.8 MPa，由于该齿轮的屈服强度为250 MPa左右并且应力集中现象发生在齿轮根部，因此在长时间的行走过后容易造成齿轮的金属疲劳变形，从而发生折断现象，为确保行走机构齿轮的安全稳定性，有必要对整体行走机构的设计进行优化。

图6 接触应力（MPa）模型网格示意图

3 结构优化后结果的对比分析

为延长齿轮的使用寿命，可从以下几个方面考虑：第一是从齿轮材料方面入手，变更材料提高抵抗疲劳强度；第二是减少其受到的外部载荷作用力。从经济性方面考虑，采取减少外部作用力的优化手段，原有单排两个行走机构，添加为单排四行走轮机构，如图7所示。

图7 四行走机构优化示意图

通过增加行走轮的方式，可减小每一个行走轮齿轮的受力载荷，从而降低每个齿轮表面与销排之间的接触应力，使接触应力在齿轮上分布更加的均匀。按照原有齿轮分布形式仿真过程的参数进行设置。分析其优化后四行走轮机构齿面的应力分布状况。优化后应力分布示意图如下页图8所示。

图8 四行走轮优化后应力（MPa）分布示意图

四行走轮机构所受到的最大接触应力数值为112.4 MPa，远远小于材料的屈服强度，对原有结构的数值下降率为50%。通过四行走轮结构的优化有效地降低了齿轮面所受到的应力载荷，提高了行走机构的使用寿命，保障了采煤过程运输的连续性，对于采煤量的大幅度提高有所保证。

4 结语

针对目前MG200型采煤机行走机构齿轮磨损情况严重以及使用寿命较低的现状。采用有限元技术找到了目前齿轮面应力分布数值及薄弱环节，通过增加行走轮的方式对整体行走机构的使用寿命进行提升。为保证行走轮的对称性，设计成四行走轮的优化方式，降低了齿轮面的应力载荷，有效提高了齿轮面的寿命，可以使行走轮的使用寿命提高一倍。虽增加了行走轮的数目，提高了成本，但延长使用寿命可使增加成本进行抵消，并且避免了不断停工更换齿轮所带来的工作间隙，提高了煤炭开采运输效率，四行走轮机构更加适合煤炭采煤机使用，为今后采煤机运输行走机构的研究提供了依据。