满仲鹏

(太重煤机有限公司， 山西 太原 030032)



·试验研究·

采煤机牵引部链轮的仿真分析

满仲鹏

(太重煤机有限公司， 山西 太原 030032)

牵引部零件链轮是整个采煤机中重要的受力零件，是采煤机牵引部传动系统中最后一级齿轮零件，通过链轮啮合刮板运输机的销轨使采煤机牵引，它是极其易损零件，因此研究它的受力分析有着非常现实和重要的意义。利用NX8.5软件建立三维理想模型，采用有限元分析方法对链轮进行结构强度分析和校核，得出分析结果与链轮实际工作受力情况较吻合，可为链轮优化设计提供一定的理论依据。

采煤机；链轮；NX8.5软件；三维理想模型；有限元分析；结构强度

电牵引采煤机中的牵引传动部分别布置在采煤机采空区一侧的两端。牵引部内有牵引电动机、两级直齿传动和两级行星机构，牵引电动机输出的动力经减速后，传到行走轮组件的链轮，使其与刮板输送机的销轨相啮合，链轮的转动就驱动采煤机沿着工作面输送机向左(或向右)运行[1].链轮与销轨的正确啮合，是由外牵引上的导向靴来保证。牵引部设计要求尺寸紧凑，而且传动系统复杂，链轮转动时所承受的载荷大，因此设计时根据采煤机设备的特点采用有限元分析方法，在链轮受力最大的工况下分析其受力情况，以满足采煤机井下实际工况要求，实现采煤机在工作面的正常运行。

1 采煤机牵引部链轮的有限元分析

1.1 几何模型

几何模型是在NX8.5软件建模环境下按照实际尺寸1∶1建立三维理想模型，根据实际情况将花键处简化成以分度圆为直径的柱体，并与驱动轮装配到位。见图1，图2.

1.2 材料特性的确定和网格划分

本文主要对采煤机牵引部关键部件链轮组件进行有限元分析，其中链轮与驱动轮紧密配合。其材料属性见表1：

图1 链轮几何模型图

图2 链轮驱动轮简化装配模型图

将链轮与驱动轮三维几何模型直接应用到NX8.5高级仿真模块中，设置材料属性；然后对其进

表1 材料属性表[2]

行网格划分，而网格划分是进行有限元分析的基础，直接影响有限元分析的结果。本文中链轮与驱动轮均采用3D四面体(10节点)进行智能网格划分[3]，其中将链轮与销排啮合的一对齿网格划分密点。网格划分结果见图3，图4.

图3 链轮网格划分图

图4 链轮组件装配网格划分图

1.3 边界条件及载荷施加

采煤机在采煤过程中，通过链轮与销排的啮合转动使整个机身牵引，由于该有限元仿真为静力分析，所以链轮与销排啮合的齿做面对面接触。链轮花键处传递扭矩，用面对面黏合。链轮内孔只有纯剪切力产生，将链轮内孔做销钉约束，只释放旋转。销排连接孔与刮板输送机刮板槽铰接，也做销钉约束。

本文采煤机牵引速度为恒定的7.7 m/min，链轮的输出切向力为375 kN，由于驱动轮和链轮的分度圆直径不同，计算得驱动轮受到的切向力为325 kN.

2 有限元结果分析

在NX8.5软件高级仿真模块下对采煤机链轮组件前处理的相关参数设置全部完成后，进行求解分析，本文采用默认的求解器求解。

对采煤机牵引部链轮组件进行有限元模型求解，在后处理中能够得到包括位移、应力应变、反作用力等和全部的或各个方向的变形。链轮等效位移云图和等效应力云图，见图5，图6.

1) 等效位移云图。

图5显示，采煤机链轮组件的最大变形为0.686 mm，且发生在链轮组件驱动轮啮合瞬间位置，由此可见，采煤机在割煤时，驱动轮轮齿容易造成磨损，这就要求采煤机在左、右牵引时做到同步行走，同时应注意观察或及时更换，避免造成对牵引部及整机的损坏。

图5 链轮组件等效位移云图

2) 等效应力云图。

采煤机牵引部链轮与销排啮合过程中的受力分析见图6.由图6可以看出，此时链轮的最大应力产生在齿面啮合处，其值为980.62 MPa，由表1可知，小于该处材料的屈服强度1 080 MPa，最大应力小于其材料的许用应力，满足强度要求。而齿根处容易产生应力集中，由图可知最大应力在570 MPa左右，远小于其材料的许用应力，也满足强度要求，此方案是可行的。

3 改进措施

根据以上对链轮有限元的分析结果，可以对其进行强化，具体措施如下：

1) 改善链轮材质，使用特殊高性能合金钢代替原链轮材料，其抗拉强度、延伸率和冲击功的参数都大于原有材料。

2) 改进热处理工艺，淬硬层厚度增加，可增强链轮的接触强度和弯曲强度。

3) 修正链轮齿形，在链轮分度圆直径不变的情况下，使齿顶和齿根部更加平滑过渡，可以提升链轮

与销轨啮合效果，提高链轮使用寿命。

4 结 语

本文主要利用NX8.5软件对采煤机牵引部关键零件链轮在采煤机处于牵引工作状态时进行分析。得出如下结论：

1) 分析结果与链轮实际工作受力情况比较吻合，设计人员在进行采煤机传动部和链轮组件设计时，可根据分析结果，结合相应的试验、测试以及链轮的材料进行强度校核，计算出其安全系数，必要时对牵引部和链轮结构进行优化改进或加强。

2) 由于链轮是采煤机中极易损坏的零件，此类易损件都可以通过有限元分析对其进行强度校核，从而判断结构设计是否合理，找出危险截面，再进行改进和优化，可以缩短开发周期，减少不必要的试验，节约费用及人力物力，减轻采煤机的故障率，实现高产高效，保证客户效益最大化[4]. 有限元分析是一种非常高效的辅助设计手段，可为后续的结构设计提供强有力的理论依据。

[1] 程居山，王昌田，李新平.矿山机械[M].徐州：中国矿业大学出版社，1997：6-11.

[2] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2005:30-35.

[3] 朱崇高，谢福俊.UG NX CAE基础与实例应用[M].北京：清华大学出版社，2010:71-76.

[4] 杜 伟.基于NX6.0采煤机摇臂高级仿真[J].煤矿机械，2009(9)：60-61.

Simulation Analysis of Chain Wheel in Shearer Hauled-part

MAN Zhongpeng

The sprocket of the traction part is the important force parts of shearer, and is the last-stage gear parts in drive system of the shearer traction department. Shearer is drawn by pin-track of sprocket engages scraper conveyor. It is extremely fragile parts, so study of the force analysis has a very real and important significance. The NX8.5 software is used to establish the 3D ideal model. The finite element analysis method is used to analyze and check the structural strength of the sprocket. It finds that the analysis result is in good agreement with the actual working force of the sprocket, which can provide theoretical basis for sprocket design.

Coalcutter; Chain wheel; NX8.5 software; Three-dimensional ideal model; Finite element analysis; Structural strength

2016-06-03

满仲鹏(1980—)，男，山西大同人， 2008年毕业于中北大学，硕士研究生，工程师，主要从事煤机设计方面的工作

(E-mail)koki98@126.com

TD421

A

1672-0652(2016)07-0029-03