采煤机摇臂齿轮轴结构特性分析

赵 聪 凯

（山西煤炭进出口集团煤业管理有限公司晋南分公司，山西 蒲县 041200）

0 引 言

采煤机作为煤矿综采工作面主要设备之一，为了保证煤炭顺利开采，要求采煤机具有较高的可靠性。摇臂齿轮箱的作用是给综采工作面采煤机截割煤壁传递动力，同时经常发生故障的部件，已经成为采煤机机械部分可靠性最薄弱环节，严重制约了综采工作面的产量。

通过故障统计分析发现，由于煤矿井下工作环境复杂、工作条件恶劣，二轴总成上的齿轮及轴承经常发生故障，对于整个齿轮箱的使用性能及可靠性有很大的影响，因此针对该齿轮轴总成，对其进行力学分析，以期找到其失效原因，提出相应措施，提高齿轮轴总成的结构性能，为采煤机的设计以及优化改进提供了理论依据，从而达到采煤机可靠性开采的目的。

1 采煤机摇臂齿轮箱结构

摇臂齿轮箱是采煤机截割部的重要组成部分之一，通过摇臂齿轮箱，将截割电机的动力传递到滚筒，从而实现落煤和装煤。采煤机摇臂齿轮箱有以下几个特点：

1）电机齿轮轴的一端连接电机输出轴，将电机的动力传递至二轴，另一端连接液压制动器。

2）惰轮组的作用是传递动力，不调整速度大小。

3）牵引轴与中心齿轮组相连，是装置的第二级减速部件，所受载荷较大。

4）中心齿轮组包括大齿轮和太阳轮，分别与上级牵引轴和下级行星减速器的行星轮相连，动力最终传递给行星轮。

5）牵引行星减速器为两级行星减速，两级行星轮个数分别为三个和四个，行星架和太阳轮都是浮动结构，可使内部行星轮受力均匀。

图1 采煤机摇臂齿轮箱结构图

其中二轴总成上的齿轮及轴承经常发生故障，齿面点蚀剥落、断齿等导致停机维修，给生产带来严重经济损失，因此本文主要是针对二轴齿轮轴总成进行研究。

2 齿轮轴力学分析

根据采煤机摇臂的工作情况，以及齿轮轴的受力特点，利用弯扭合成的原理，对齿轮轴进行力学分析以及强度校核。齿轮轴上的力分解为水平和竖值两个方向，等效为集中作用力，作用在齿宽的中点。支座反力的位置与轴承参数有关，包括轴承的类型、安装位置以及轴承的安装方式。图2 为齿轮轴受力计算简图。

图2 齿轮轴受力计算简图

齿轮上的切向力Ft和径向力Fr的计算公式如下：

式中：T 为转矩，该齿轮轴的转矩为4.082×106N·mm；d 为齿轮分度圆直径，mm；α 分度圆压力角，α=20°。

该摇臂齿轮轴总成齿轮分度圆直径为272mm，轴齿轮直径为207mm，因此可计算出齿轮切向力为30123N、轴齿轮切向力39456N、齿轮径向力10884N、轴齿轮径向力14268N。

3 结构特性有限元分析

3.1 三维模型建立

本文所选择的三维建模软件为Solidworks 软件，三维实体建模为了实际可操作性，通常需要对结构进行简化，简化原则一般包括以下几点：

1）零部件的主要尺寸不能改变，结构中危险部位的结构细节不能简化。

2）结构中的应力集中部位不能简化。

3）在不改变整体结构强度、刚度、以及整机性能等条件下，对难以划分网格的部位进行适当修改和简化，降低网格划分的难度。

4）对结构强度以及分析结果不会造成影响的结构特征进行简化，例如工艺小孔、圆角以及倒角等。

齿轮轴总成三维建模时，简化了螺栓、垫圈，保留了轴齿轮、齿轮、端盖、轴承。同时对圆角、倒角进行了简化处理。齿轮轴总成的三维模型如图3 所示。

图3 齿轮轴总成三维模型

3.2 齿轮轴总成有限元模型建立

3.2.1 单元类型及材料参数

首先对材料属性、单元类型等进行设置。单元类型选择会影响到分析的准确性，结合齿轮轴总成及各零部件的结构特点，本文选择SOLID45 三维实体单元，材料的弹性模量2.2×1011Pa、泊松比0.27、密度7.91×103kg/m3。

3.2.2 网格划分

为了保证齿轮轴总成及各零部件网格划分时单元尺寸的合理性，同时不出现质量较差的单元形状，采用自由网格划分方法，网格单元长度为10mm，齿轮轴总成网格划分结果如图4 所示。

图4 齿轮轴总成网格模型

3.2.3 边界条件

边界条件的设定时，在齿轮轴的两端面施加沿x、y、z 三个方向的平动约束，在齿轮轴两端圆柱面施加绕x、y 轴两个方向的的转动约束。

3.3 齿轮轴静力学分析

对齿轮轴总成、轴齿轮和齿轮进行了静力学分析，变形分布云图和等效应力分布云图如图5～7 所示。齿轮轴的变形量很小，最大应力为10.3MPa，出现在轴齿轮齿根的位置，其对结果的影响可以忽略不计。只对轴齿轮和齿轮进行加载时，计算出的应力就会大大增加，齿轮轴最大应力为56.4MPa、齿轮的最大应力139 MPa。分析其原因是结构的刚度对应力包括大小和分布都有很大影响。因此，在进行结构设计时，既对结构的强度和刚度同时进行校核。

图5 齿轮轴总成有限元计算结果

图6 齿轮轴有限元计算结果

图7 齿轮有限元计算结果

3.4 齿轮轴模态分析

对齿轮轴总成中的轴齿轮进行了模态分析，表1列出了轴齿轮的前8 阶固有频率。计算结果表明，与轴齿轮的转动频率相比，轴齿轮的固有频率较高，不会发生共振。

表1 齿轮轴前8 阶固有频率

综上，该齿轮轴总成的最大应力出现在轴齿轮齿根部位，同时变形量及应力相对较小。但是齿轮工作时，承受周期性交变应力载荷，极容易出现疲劳失效。单独对轴齿轮和齿轮进行加载时，应力明显增大，说明结构的刚度对应力的大小和分布影响很大。因此在结构设计阶段，应取较大的安全系数，对强度和刚度同时进行校核。

4 提高摇臂齿轮轴结构性能措施

1）结构设计方面。针对齿轮轴的薄弱环节，不断优化设计水平，改进用材用料，完善制作工艺，强化齿轮箱结构稳定性和可靠性。

2）装配方面。装配是影响齿轮件使用寿命的重要因素，严格控制齿轮啮合以及轴承的装配参数，提高装配精度，减少装配误差。

3）检查与维修。做到日常巡视，及时发现异响和高温，及时处理异常故障；定期开箱检查，提前发现齿轮疲劳点蚀等问题，必要时可采用振动检测设备，对齿轮件进行振动检测和诊断，做到早预防早处理。

5 结 论

对齿轮轴进行了受力分析，以及ANSYS 有限元静力学和模态分析，结果表明该齿轮轴总成的最大应力出现在轴齿轮齿根部位，同时变形量及应力相对较小。但是齿轮工作时，承受周期性交变应力载荷，极容易出现疲劳失效。单独对轴齿轮和齿轮进行加载时，应力明显增大，说明结构的刚度对应力的大小和分布影响很大。因此在结构设计阶段，应取较大的安全系数，对强度和刚度同时进行校核。从结构设计、装配、检查与维修三个方面提出了提高摇臂齿轮轴结构特性的措施，为采煤机的设计以及优化改进提供了理论依据，从而达到采煤机可靠性开采的目的。