轮齿可拆换的采煤机行走轮结构设计与强度校核.pdf

第 48 卷 2020 年第 8 期 采掘 编 辑 严 瑾 12 轮齿可拆换的采煤机行走轮 结构设计与强度校核 王振乾 天地科技股份有限公司上海分公司 上海 200030 摘要为了实现采煤机行走轮组件上行走轮某齿断裂后，不用拆解替换整个行走轮组件而直接更换断 裂轮齿及重复利用轮毂，从结构设计角度，提出了一种轮齿可拆换的分体式行走轮。从结构设计、强 度校核及预期效果等方面，对分体式行走轮进行了分析，理论认为这种可拆换轮齿的分体式行走轮结 构具有可行性，为行业内提供了一种创新的行走轮结构。 关键词分体式行走轮；可拆换；结构设计；强度校核 中图分类号TD421.6 文献标志码A 文章编号1001-3954202008-0012-04 Structural design and strength verification of walking wheel with detachable sprocket for shearer WANG Zhenqian Shanghai Branch of Tiandi Science detachable; structural design; strength verification 滚 筒采煤机牵引行走部将牵引电动机的输出转 矩经过齿轮传动系最终传递到行走箱，行走箱 为开式传动的减速箱，其中行走轮组件为行走箱传动 系中的最末级齿轮系。行走轮组件为采煤机牵引行走 的执行机构，其行走轮和刮板输送机的销排以齿轮齿 条的方式啮合，驱动采煤机前进[1]。由于工作环境恶 劣、 销排连接处节距和啮合中心距会小范围内波动[2-3]， 造成行走轮和销排的啮合条件差，所以行走轮是采煤 机最易损坏的易损件之一。行走轮常见的失效形式为 未达到设计寿命的情况下，部分轮齿受冲击载荷突然 断裂及齿面渗碳淬火层剧烈磨损等[4]。 一旦行走轮由于断齿不能继续使用，则需要更换 处理。常规更换流程为首先从采煤机行走箱上拆解整 个行走轮组件，然后再从行走轮组件上拆解、更换失 效的行走轮。为了不严重影响生产，煤炭生产企业一 般是用新行走轮组件直接替换失效的行走轮组件，将 失效的行走轮组件从井下带到地面维修车间，再更换 行走轮。整个更换过程一般耗时最少一个生产班。同 时，轮齿断裂的行走轮则整个报废。 为了实现采煤机行走轮某齿断裂后不用拆解整个 行走轮组件而直接更换断裂轮齿，以及循环利用行走 轮的轮毂，笔者从结构设计角度，提出了一种轮齿可 拆解和替换的分体行走轮，并校核了其强度。 1 可拆换轮齿的行走轮结构设计 采煤机行走箱及行走轮结构如图 1、2 所示。行 作者简介王振乾，男，1979 年生，副研究员，主要从事电牵 引采煤机相关设计工作。 万方数据 第 48 卷 2020 年第 8 期 采掘 编 辑 严 瑾 13 走轮和刮板输送机销排的啮合传动属于低速重载非共 轭啮合传动范围[5]，行走轮为非标准系列模数的大型 非精密传动齿轮，其模数由配套销排的节距[6]确定， m P/π， 1 式中m 为行走轮模数，mm；P 为销排节距，mm。 目前，刮板输送机销排节距有 125、147、172 mm 等规格，由式 1 计算可知，采煤机行走轮最小 模数 m 39.79 mm。行走轮齿形一般为标准摆线、标 准渐开线及复合曲线等。由于模数非标且大、齿形复 杂，行走轮的齿形一般由成形铣刀一次加工成形。为 保证低速重载传动的可靠性，行走轮为采用低碳合金 钢材料、齿面渗碳淬火的硬齿面齿轮，如图 3 所示。 传统整体式行走轮生产过程中，轮齿的渗碳时间约占 整个流程的 1/3 以上。 进入 21 世纪以来，为了提高整体行走轮的使用 寿命，业内对其进行了持续的改进，如采取加大模数 及齿面渗碳淬火层深度[7]；基于提高啮合性能而优化 行走轮的齿廓曲线[8]；分析进口采煤机行走轮金相组 织，对比优化国产行走轮材料及热处理工艺[9]等。这 些措施在一定程度上提高了行走轮的使用寿命，但均 未从根本上解决因为轮齿断裂后就必须更换整个行走 轮以及更换周期长的问题。 针对上述问题，在保证整体互换性的前提下，笔 者参考相关文献[10]设计了一种轮齿可拆换的分体式行 走轮，如图 4 所示，主要包括行走轮轮毂、轮齿、螺 纹定位销、防松垫圈等，从结构上将行走轮的每个轮 齿与其轮毂分离，通过键、销、螺钉等装配起来，并 保持其功能不变，以实现行走轮的轮齿可拆换及轮毂 可重复利用。 分体式行走轮的轮齿模块完全保持原整体行走轮 图 1 采煤机行走箱结构示意 Fig. 1 Structural sketch of walking box of shearer 图 2 行走轮组件 Fig. 2 Assembly of walking wheel 图 3 整体行走轮 Fig. 3 Whole walking wheel 1. 行走轮轮毂 2. 轮齿模块 3. 防松垫圈 4. 螺纹定位销 图 4 可拆换轮齿的分体式行走轮 Fig. 4 Split walking wheel with detachable sprocket 万方数据 第 48 卷 2020 年第 8 期 采掘 编 辑 严 瑾 14 轮齿的齿形参数、齿面特性和传动特征，渗碳时，可 以单独对其轮齿模块进行渗碳，整炉可全部放入该轮 齿模块，提高了渗碳的效率。同时，单独的轮齿模块 渗碳后淬火时其淬裂的可能性也大幅降低。 分体式行走轮的每个轮齿模块在圆周方向上与轮 毂通过卡槽内的 2 个扇形面小过盈配合定位，在轴向 上与轮毂通过螺纹定位销的圆柱销段过盈配合定位。 轮齿模块与轮毂的连接紧固通过螺纹定位销的螺纹预 紧力完成，螺纹定位销的防松由螺纹定位销沉头螺钉 头下的防松垫圈完成。原整体行走轮每个轮齿上法向 力 有效牵引力 由轮齿根部承载，而分体式行走轮每 个轮齿模块的法向力 有效牵引力 由行走轮轮毂扇形 卡槽止口和螺纹圆柱销共同承担。具体有效牵引力转 矩在行走轮轮毂扇形卡槽止口和螺纹圆柱销之间的分 配与轮毂轮缘厚度、螺纹销直径、行走轮齿数及模数 有关。笔者研究的分体式行走轮模数为 46.79 mm，齿 数为 11，螺纹销直径为 30 mm，轮缘厚度为 62 mm。 采煤机 46.79 mm 模数行走轮对应配套刮板输送机 147 mm 节距的无链牵引系统，其最大可承载的牵引力为 1 000 kN。按 0.8 的安全系数加载，共加载 800 kN 牵 引力，经计算，直径为 30 mm 实心强化调质处理螺 纹销可承载 300 kN 的剪切力，所以按螺纹圆柱销承 担有效牵引力转矩的 37.5、轮毂扇形卡槽止口承担 62.5 分配。 根据吴卫东等人关于整体行走轮光弹试验轮齿受 力区域的研究成果[11]，要求每个轮齿模块齿根下方的 实体径向尺寸 a 至少需要达到相应行走轮模数 m 的 1.2 倍，即 a≥1.2m；每个轮齿模块圆周方向实体角度 α ≥ 360/2Z 5 Z 为行走轮齿数，如图 5 所示。行走 轮轮毂上相应卡槽尺寸与每个轮齿模块对应配合。 2 分体式行走轮强度校核 由于行走轮轮齿的可拆换性及结构尺寸即可保证 其齿根在主受力范围内[12]，所以对单独的轮齿模块不 再做强度校核。对于行走轮轮毂，主要承受轮齿模块 通过螺纹定位销和扇形卡槽配合面传递的圆周力，使 用相关有限元软件计算校核。按以上计算的单侧有效 牵引力为 800 kN 加载，模拟行走轮运行时和销排重 合度[13]略微大于 1 的实际运行工况，将此有效牵引力 全部加载到行走轮 1 个轮齿模块的分度圆上。经加载 计算后，行走轮轮毂受力部位扇形卡槽配合面的有效 Von Mises 综合最大应力为 834 MPa。行走轮常用材 料为低碳 Cr、Ni 合金钢，经适当热处理后，其抗拉 强度可达 1 300 MPa。经有限元计算的综合 Von Mises 应力远低于材料的许用应力，安全系数≥1.55。轮齿 有限元网格划分如图 6 所示，加载方式及载荷如图 7 所示，应力云图如图 8 所示。 图 5 轮齿模块关键尺寸 Fig. 5 Key dimensions of sprocket module 图 6 轮齿网格划分 Fig. 6 Mesh division of sprocket 图 7 加载方式及载荷 Fig. 7 Loading mode and load 图 8 分体式行走轮应力云图 Fig. 8 Stress contours of split walking wheel 万方数据 第 48 卷 2020 年第 8 期 采掘 编 辑 严 瑾 15 螺纹定位销的预紧力矩[14] T KFd， 2 式中K 为拧紧力矩系数；F 为预紧力，N；d 为螺纹 公称直径，mm。 按强度为 12.9 级的 M24 标准螺距螺钉计算，最 终预紧力约为 410 kN。经采煤机整机受力校核，此预 紧力能满足行走轮齿轴向力要求。 3 预期效果 首先，将传统整体行走轮上每个轮齿从行走轮 轮毂上剥离出来，从而实现单独轮齿断裂等损坏后可 拆换而不用报废整个行走轮，提高了设备的利用率， 从结构设计上降低生产厂家设备成本，同时降低设备 使用方的备品备件库存和品类；其次，当轮齿可单独 拆换后，行走轮有部分齿损伤后维修时，不用将整个 行走轮从行走轮组件上拆解下来，从而避免了拆、 装过程中对行走轮组件中轴承、密封件等完好零件 的损伤，提高了行走轮组件的使用寿命；第三，分体 式行走轮结构将推动实现每种模数 目前有 39.79、 46.79、54.75 mm 行走轮轮齿模块在行业内的标准化 和系列化，经过试验后可实现行走轮轮齿模块像滚筒 镐型截齿一样系列化和标准化，方便用户；第四，目 前采煤机行走轮的热处理工艺主要是对齿面的渗碳淬 火，如渗碳层深 3 mm 将耗时至少需要 100 h，而单独 对小的轮齿模块进行渗碳热处理将提高每炉的装炉量 和热处理效率，相对整体行走轮淬火，单独对小的轮 齿模块淬火降低了淬裂报废的可能性；最后，因单独 轮齿损坏或磨损时仅需更换单独的轮齿模块，降低了 设备的维修时间，降低了维修人员的劳动强度，提高 了采煤机的开机率。 初步预计，这种可拆解、替换轮齿的分体式行走 轮将降低备件成本至少 65。 4 结语 为解决采煤机行走轮组件中行走轮某齿断裂后， 不用拆解整个行走轮组件而直接更换断裂轮齿及循环 利用行走轮的轮毂，从结构设计角度提出了一种轮齿 可拆换的分体式行走轮。从结构设计、强度校核及预 期效果等方面进行了分析，理论认为这种可拆换轮齿 的分体式行走轮结构可进入产品试验阶段。 参 考 文 献 [1] 陶驰东．采掘机械 [M]．北京煤炭工业出版社，1993103- 115. 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