采煤机行走轮啮合时的弯曲强度研究.pdf

收稿日期2019－11－26 采煤机行走轮啮合时的弯曲强度研究 郭泽东 （山西焦煤集团 西山煤电有限责任公司 白家庄矿业公司， 太原030000） 摘要针对行走轮轮齿折断的常见问题，提出基于有限元的方法对行走轮啮合时轮齿的弯曲强度进行研究。研究结果表明，齿根处的应力小于材 料屈服强度，满足静强度要求，但齿根处应力已较为接近屈服应力，长时间工作后会在齿根表面的磨损处产生塑性累积和微裂纹，微裂纹进而扩 展导致轮齿疲劳断裂。从根本上解释了轮齿折断频发的现象，并给出了提高行走轮轮齿疲劳寿命的建议，为行走轮等类似产品的设计研发提供了 理论指导，具有重要的现实意义。 关键词煤矿；采煤机；行走轮；轮齿折断 中图分类号TD421文献标志码A文章编号1009－9492 2020 06－0048－02 Research on the Bending Strength of the Walking Wheel of the Shearer GUO Zedong （Baijiazhuang Mining Company, Xishan Coal Power Co., Ltd., Shanxi Coal Coking Group, Taiyuan 030000, China） AbstractIn view of the common problems of the tooth fracture of the walking wheel, a based on the finite element was proposed to study the bending strength of the tooth when the walking wheel was meshed. The results show that the stress at the root is less than the yield strength of the material, which meets the requirements of static strength, but the stress at the root is close to the yield stress. After a long time of work, the plastic accumulation and microcracks will be produced at the worn part of the tooth root surface, and the microcracks will further expand, leading to the fatigue fracture of the tooth. The phenomenon of tooth fracture frequency is explained fundamentally, and the suggestions to improve the fatigue life of the teeth of the walking wheel are given, which provides theoretical guidance for the design and development of similar products such as the walking wheel, and has important practical significance. Key wordscoal mine; shearer; traveling wheel; broken teeth DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 06. 019 第49卷第06期Vol.49No.06 机电工程技术 MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 郭泽东. 采煤机行走轮啮合时的弯曲强度研究［J］. 机电工程技术，2020，49（06） 48-49. 0 引言 近年来，随着煤矿开采工程技术的持续进步，采煤机的 整体性能也得到了巨大的提高。目前，大量采煤机的牵引系 统仍然采用两轮行走方式，其结构性能随着现代设计技术的 发展而显得相对落后[1]。另外，采煤机几十吨的自重和采煤作 业时遇到的较大阻力，致使行走轮常常超负荷运转，当其受 到瞬间的冲击时，常常会发生齿根折断现象，这是最为常见 且最为严重的行走轮失效形式[2]。这种现象可以从疲劳断裂的 角度加以解释，行走轮在与销排啮合时，轮齿表面会产生较 大的接触应力，特别是当行走轮受到冲击时会产生更大的接 触应力，当冲击频率过高，接触应力大于材料的疲劳强度， 在轮齿表面产生塑性积累和微观裂纹，裂纹随着载荷的作用 而扩展，直至轮齿断裂[3]。轮齿折断后会造成采煤机行走机构 的整体失效，对井下作业人员的安全造成威胁，也对生产造 成较大的时间损失和经济损失。因此，有必要开展行走轮轮 齿在啮合时弯曲强度计算的研究，使研究方法能够为轮齿的 设计与生产制造提供理论支持，也为其他类似产品的开发提 供借鉴。 1 采煤机行走部结构及工作原理 采煤机行走部结构上由行走轮、销排和导向滑靴构成。 行走轮按轮齿轮廓的类型可分为渐开线行走轮和摆线行走 轮，本文主要讨论齿廓形状为渐开线的行走轮。导向滑靴所 起的主要作用是确保行走轮、销排的正确啮合，以此保证采 煤机正确的行进路线，同时导向滑靴与行走轮铰接承受采煤 机的自重及一部分侧向的工作载荷[4]。销排通常按照节距分 类，有146 mm和125 mm 2种。 采煤机的工作原理为行走轮受到牵引箱的动力输出而 转动，行走轮转动而与固定销排啮合，使采煤机整机直线行 走，其中行进路径由刮板机的轨道决定。根据工作原理的描 述可以看出，行走轮是这个局部系统的动力提供者，主要承 受牵引拉力；销排与行走轮啮合，主要承受采煤机的自重和牵 引载荷；导向滑靴需承受采煤机自重和一部分侧向工作载荷。 2 行走轮受力分析 本文研究对象为行走轮的齿根折断现象，进行受力分析 时也主要考虑行走轮的受力分析。已有文献的研究表明，忽 略安装等现实因素的影响，行走轮所受载荷沿啮合线均匀分 布，分析时可用集中力代替且作用在啮合线上任意一啮合点 即可[5-8]。啮合点受力主要为垂直于齿面的法向力Fn，理论上 可将法向力分解为2个相互垂直的分度圆切向力Ft和径向力 Fr，其中Ft为驱动行走轮运动的动力、Fr为上抬力。3个力之 间的关系可表示为 Ft 2Tn d FrFttanα Fn Ft cosα （1） 式中Tn为牵引力矩，N mm；d为分度圆直径，mm；α为啮合角。 48 （下转第81页） 3 行走轮弯曲强度仿真 本文以某型采煤机为例来说明行走轮轮齿的弯曲强度分 析流程。其主要参数为牵引输出转矩为42.4 kN m；采煤机 自重为39 t。按照第2节中行走轮载荷的计算公式，可得行 走轮最大法向载荷为 Fn191.6 kN；分度圆切向载荷为 Ft 181.3 kN；上抬力为Fr66.4 kN。 3.1 行走轮模型建立 基于Solidworks三维建模软件建立行走轮的三维模型，其 建模参数如表1所示。 按照以上参数建立行走轮模型，如图1所示。 3.2 材料参数、网格及载荷设置 行走轮材料选用18Cr，其弹性模量为210 GPa；泊松比为 0.28；密度为7 910 kg/m3。根据研究目的，只需研究某一个轮 齿的受力变形情况即可，因此对其中一个轮齿划分网格，单 元类型采用8节点Solid185单元，以保证计算结果的精确性， 并在齿根接触部位进行网格细化。最终单元数量为1 923个； 节点数量为1 762个。网格划分如图2所示。 依据载荷计算结果在轮齿分度圆线上施加线载荷，对轮 齿两个侧面及底面施加全约束，以模仿轮齿的实际情况，如 图3所示。图中箭头所指即为法向载荷在分度圆线上的载荷施 加，两侧及底部为全约束。完成上述步骤后提交Ansys计算， 获得计算结果。 3.3 仿真结果分析 在Ansys后处理中查看轮齿的应力与应变情况，分别如图 4～5所示。由图可知，齿顶尖端出现应力集中最大等效用力 为1 556.5 MPa；提取其他应力如最大拉应力为443.2 MPa，出 现位置在靠左侧的齿根处；最大压应力为548.9 MPa，出现在 右侧齿根；最大等效应变为0.35910-6。从以上统计结果可 以看出，齿尖发生了严重的应力集中，其值远大于材料屈服 应力630 MPa，这是由于施加分度圆线载荷，实际上是以集中 载荷施加在相应位置的节点处。由于是集中力直接施加，势 必会引起失真的应力集中，因此齿尖的应力不作为参考。根 据圣维南定理，齿根处的应力是真实可靠的。虽然齿根处的 应力未大于材料屈服强度，但已较为接近，在长时间工作后 容易在齿根表面产生塑性累积进而出现微裂纹，裂纹萌生、 扩展导致齿根断裂。 4 轮齿改进及效果分析 仿真分析结果表明，齿根断裂是由于齿根处较大的应力 引起的疲劳断裂。在生产制造上，提高行走轮疲劳寿命可从 以下几个方面考虑 （1）选用疲劳强度更好、更耐磨的材料，结合合理的热 处理方式，达到最佳工艺方案； （2）可考虑增加行走轮、销排的啮合面积，加大齿根处 的圆角半径，使其更加圆滑地过度，以降低应力集中程度， 从而提高疲劳寿命； （3）尽可能地保证行走轮的制造加工精度，最大限度地 保证每次行走都在规定的节距、中心距下，减少冲击对行走 轮轮齿寿命的影响； （4）选择转换率更高、更易润滑的轴承，减少由轴承带 来的行走轮轮齿受载不均。 采用以上改进思路，对轮齿进行了改进设计。为进一步 验证改进后轮齿的实际应用效果，将其在采煤机上进行了为 期6个月的应用测试。在轮齿使用过程中，整体结构的变形程 度有所降低，其齿顶、齿根等部位基本未出现较大程度的接 触面磨损或轮齿断裂等故障现象，采煤机设备的运行稳定性 也得到明显提升。在测试期间，同期相比，采煤机因行走轮 表1行走轮尺寸参数 类型 渐开线轮齿 模数 40 齿数 12 销排节距 /mm 125 分度圆直径 /mm 480 图 1行走轮三维 模型 图3轮齿载荷及 约束信息 图2轮齿网格 划分 图4轮齿等效应力云图 图5轮齿应变云图 郭泽东采煤机行走轮啮合时的弯曲强度研究 49 李忠浪，等基于软PLC的Delta机器人运动控制设计及实现 计算出8个代表点的信息，进行运动编程。将加速度传 感器测试得到的X、Z坐标轴方向的加速度和理论加速度进行 对比，如图11、图12所示。 实验结果表明，机器人能稳定运行并且各方向加速度与 理论加速度一致，证明了机器人运动控制设计成功。 4 结束语 与传统控制卡运动控制相比，本文提出的方法在机器人 使用上更加简便，编程简单，灵活性更高。在实际应用过程 中，可以很方便地把程序迁移到任何一台嵌入式工控机上， 不受产商品牌间兼容性的影响，大大加快开发速度。针对不 同构型的机器人，只需局部替换其中的运动模块即可，减小 开发难度，提高效率。 参考文献 [1] 黄勉. 面向拾取作业的Delta机器人工作性能与含球铰间隙 的位姿误差研究[D].广州华南理工大学,2016. 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