MG300/700 型采煤机销轨轮结构强度的分析

张瑞军

（大阳泉煤矿有限公司，山西 阳泉 045000）

引言

销轨轮作为采煤机中的重要部件，主要起到传递转动扭矩作用，以此驱动采煤机向前行走[1]。据统计，国内采煤机中销轨轮的使用寿命一般在3 个月左右，其结构失效位置主要出现在齿顶及齿根等部位，一旦销轨轮出现结构失效现象，则将严重影响采煤机的运行效率及运行安全[2]。为此，采用有限元分析方法，开展了MG300/700 型采煤机销轨轮在使用过程中的结构应力及结构变形规律研究，并重点对销轨轮进行了结构优化改进设计。这对提高销轨轮的使用寿命具有重要指导意义。

1 采煤机结构的特点

MG300/700 型采煤机是市场上应用较为成熟的采煤设备，其结构总共包括主机架、截割电机、牵引电机、滚筒、机身、传动箱、控制箱、液压系统、端头控制站、摇臂等[3]。其中，主机架采用了型材焊接方式进行固定连接，以保证机架具有较好的结构强度和刚性。而牵引机构则主要是利用销轨轮与销排进行无链牵引驱动，具有牵引力大、传动转矩高、运行平稳等特点，增加了采煤机在井下的适应性能。另外，采煤机中滚筒则采用了镐型截割齿结构，可降低截割齿的损坏，延长滚筒的使用寿命，使其能对煤块进行更好的开采。

2 销轨轮与销排的啮合过程分析

销轨轮作为采煤机中的关键部件，在与销排进行啮合时可理解为齿轮与直齿条之间的啮合关系，在啮合之后，在旋转力矩的带动下驱动采煤机按照直行方式进行运动。销轨轮与销排之间的啮合示意图如图1 所示。

图1 销轨轮与销排之间的啮合示意图

保证销轨轮具有较长的使用寿命对保障采煤机的高效作业具有重要作用。销轨轮在作业过程中常见的几种失效形式有[4]：齿面磨损严重、轮齿开裂、轮齿断裂等类型。其中，由于采煤过程中夹杂着较多的煤粉及杂质，经常会聚集在销轨轮与销排之间的啮合区域，销轨轮在较小空间下承受着较大的摩擦力，从而引起销轨轮发生了较为严重的磨损现象。同时，销轨轮在低速传递扭矩过程中会承受着较大的外界载荷作用，加上采煤机自身重量较重，致使销轨轮的齿面会产生较大的接触应力，一旦应力超过了其材料的屈服强度，将极容易使轮齿发生结构开裂或断裂等失效现象，严重影响着采煤机的开采效率[5]。为此，有必要采用更加有效的方法对销轨轮在使用过程中的结构性能进行分析研究。

3 销轨轮结构模型的建立

3.1 三维模型的建立

为进一步分析销轨轮在运行过程中的传递转矩结构性能，采用了Solidworks 软件对其进行结构三维模型建立。在建模过程中，主要对销轨轮的轮齿、过渡圆、中部轴孔等特征进行了模型建立，其中，轮齿齿数为9，模数为40 mm，分度圆直径为360 mm，省去了模型中的较小圆孔、螺栓孔、圆角、倒角等特征，以此提高整个模型的仿真精度和计算速度。整个模型按照1∶1 的模型比例进行建立。所建立的销轨轮三维模型如下页图2 所示。

图2 销轨轮三维模型图

3.2 仿真模型建立

在完成销轨轮的三维模型建立后，采用了ABAQUS 软件，对其进行了仿真模型建立。在建模过程中，首先将销轨轮保存为x-t 格式后，导入至ABAQUS 软件中。由于销轨轮使用时采用的是40CrNiMo 材料，故在软件中将其结构的材料属性设置为了40CrNiMo 材料，其材料的弹性模型为2.11×105Pa，泊松比为0.3，摩擦系数为0.3，屈服强度为400 MPa[6]。同时，结合销轨轮的结构特点，在对其进行网格划分时，选用了Solid 实体单元类型和四面体网格类型，对其进行了网格划分，网格大小设置为10 mm，并对模型的齿根区域进行了局部网格加密，如图3 所示。另外，将销轨轮中部及两侧均进行了自由度约束，中部轴孔处进行了旋转约束，以实现对销轨轮的全约束。由此，完成了销轨轮仿真模型的建立。

图3 销轨轮网格划分图

4 结构强度分析

4.1 应力变化分析

结合所建立的销轨轮仿真模型，得到了其结构的应力变化图，如图4 所示。由图4 可知，销轨轮整体结构出现了应力分布不均匀现象，销轨轮的齿顶与齿根等区域均出现了较为明显应力集中现象，其中，在销轨轮与销排接触的单个轮齿上的应力最大，最大应力出现在齿顶区域，轮齿中部应力则相对较小，齿根及圆弧过渡处应力也相对更高。由此可知，销轨轮若长时间在此工况下作业，容易率先在齿顶及齿根处发生结构开裂或断裂的失效现象，销轨轮轮齿一旦发生结构失效，将严重影响着采煤机的行进速度。为此，在使用时需重点关注销轨轮的结构运行情况。

图4 销轨轮应力变化图

4.2 结构变形分析

通过仿真分析，得到了销轨轮的结构变形图，如图5 所示。由图5 可知，销轨轮整体结构出现了较为明显的结构变形现象，最大变形主要集中在销轨轮的齿顶及齿根部位，其中齿顶区域的变形量最大，沿着齿根方向，结构变形量呈减少趋势，在齿根及过渡圆弧等区域的变形量也相对更高，由此可知销轨轮的齿顶及齿根等区域是整个结构的薄弱部位，其结构变形规律与应力的基本相似，可判断会率先在销轨轮的齿顶及齿根区域发生结构失效现象，对采煤机的作业效率及安全性构成了重要威胁，需进一步进行优化改进研究。另外，销轨轮与销排之间的重合度对提高销轨轮的结构性能及降低其结构变形具有重要影响。

图5 销轨轮的结构变形图

5 销轨轮结构改进

结合前文分析，可知销轨轮在使用过程中，其齿顶及齿根等区域均出现了较为明显的应力集中及结构变形现象，是整个结构的薄弱部位，严重影响着销轨轮及采煤机的结构性能及开采效率，因此，针对销轨轮的受力特点提出了几点结构优化措施，具体如下：

1）根据销轨轮的材料属性特点，可选用屈服强度及弯曲强度更高的材料，如20Gr 材料，提高其材料的结构强度及刚度，增加结构的耐磨性；

2）在销轨轮完成结构生产加工后，可对其结构进行表面的热处理，包括对销轨轮进行调质、淬火及喷丸等表明热处理，以使销轨轮表面产生更多的残余压应力，提高其结构的弯曲强度；

3）在尺寸及空间允许情况下，增加销轨轮的齿轮宽度、轮齿高度及中心轴直径，使得销轨轮具有更高的结构强度；

4）在销轨轮应力集中的附近，开设孔径较小的圆孔，可使集中的应力能转移至圆孔处，缓解销轨轮上的应力集中现象；

5）定期对销轨轮于销排之间的啮合处进行维护保养，添加润滑油，定期清理啮合处的煤灰等，保证销轨轮与销排之间具有较好的啮合状态，减少啮合磨损程度。

6 结论

1）销轨轮的齿顶及齿根等部位均是整个结构的薄弱部位，极容易率先产生结构失效现象，由此，从材料属性、表面热加工工艺、结构尺寸等方面提出了销轨轮的结构优化改进措施。

2）将优化后的销轨轮试运行1 年后发现，整个销轨轮结构的强度更强，齿顶及齿根等区域未发生变形量及局部磨损现象，销轨轮的整体结构寿命和作业安全性明显提升。