张鹏军

(霍州煤电集团公司 辛置煤矿，山西 霍州 031412)

采煤机作为煤矿生产的重要设备，其较好的结构使用性能直接关系到煤矿的开采效率和企业的经济效益，而行走轮的结构性能对保证采煤的正常作业至关重要[1-3]。然而由于采煤机经常处于超长时间、超负荷的工作状态，加上井下环境的恶劣性，经常有煤灰进入行走轮与销排的啮合处，导致行走轮在使用中出现了不同程度的轮齿变形、齿轮磨损、轮齿断裂等故障现象，失效最严重位置主要集中在齿根处，对采煤机的开采效率及井下作业安全产生了重要影响[4-6]。因此，有必要对采煤机行走轮的结构性能进行分析。

本文通过分析采煤机行走轮使用中的轮齿磨损、轮齿断裂等主要失效类型，采用Solidworks及ABQUSA软件，建立行走轮的仿真模型，对行走轮的结构强度进行研究，以此为基础，从提高行走轮的耐磨性、防止齿根断裂、提高行走轮载荷的均匀分布性等方面，提出行走轮结构优化改进的具体措施。

1 行走轮故障失效分析

1.1 轮齿磨损分析

行走轮轮齿的磨损是采煤机的主要故障失效类型之一，分析其原因为：在采煤机行走轮和销排设计时，对其两零件之间进行了间隙设计，由于受到外界的作用力呈不均匀变化趋势，导致在其啮合时出现了啮合不均匀现象，啮合接触力的分布不均匀，造成了两零件的磨损程度也有所不同。同时，由于采煤机工作过程中，会有大量的煤灰进入行走轮与销排的啮合处，由此增大了两零件的摩擦因数，使轮齿的磨损更加严重；另外，煤尘的进入，也会使轮齿的齿面出现不均匀的挤压，大大加剧了行走轮的磨损程度，行走轮磨损实物如图1所示。行走轮的严重磨损，不仅影响采煤机的正常作业，也严重影响着煤矿的开采量及企业经济效益，降低行走轮的磨损失效成为当下研究的重要问题之一。

图1 采煤机行走轮磨损实物

1.2 轮齿断裂分析

行走轮的断裂是比磨损更严重的故障失效类型，其失效位置主要出现在轮齿分度圆及齿根部位，其断裂的实物如图2所示。究其原因为：行走轮与销排在啮合过程中，轮齿可简化为悬臂梁结构，其啮合面上的接触力随时间、运动位移的变化而发生变化，当刚开始啮合时，轮齿的齿顶部位受到较大的弯矩作用，而由于齿顶处存在圆弧过渡，且啮合时间相对较短，啮合接触力逐渐向齿根部进行转移，并逐渐在齿根处出现了较大的应力集中情况；同时，在整个啮合过程中，轮齿齿根与销排的啮合作用力相对更大、作用时间更长，加上行走轮长期处于超负荷、超时间运转状态，导致其齿根处因受到较大的弯矩而出现断裂失效现象。行走轮的断裂失效，将直接导致采煤机无法正常运转而停机，对煤矿生产造成重要影响。

图2 采煤机行走轮断裂实物

2 行走轮模型建立

2.1 三维模型建立

针对行走轮主要故障失效的原因，结合行走轮的实际结构尺寸，采用Solidworks软件，建立行走轮的三维模型。为使模型的仿真结果与实际情况更加吻合，提高仿真结果的准确性及精度，对行走轮上起定位及固定作用的键槽、螺纹孔进行了省略简化，同时，对模型中的较小圆角、倒角也进行了模型简化，由此，建立了简化后的行走轮三维模型，如图3所示。

2.2 仿真模型建立

结合建立的行走轮三维模型，将其保存parasolid(x_t)格式后，导入至ABQUAS软件中，对其进行材料设置。根据行走轮实际材料使用情况，在仿真模型中选用了45号钢材料，其材料的主要性能参数如表1所示。为提高行走轮的仿真精度，保证仿真质量，对其进行了四面体网格划分，网格大小设置为10mm。同时，对行走轮的内圈进行固定约束。由于轮齿上的受力会随啮合的进行而不断出现变化，因此，在行走轮的齿顶处施加了550 kN的作用力，在轮齿中部施加1 320 kN的作用力，在轮齿根部施加1 350 kN的作用力。由此建立的行走轮仿真模型，如图4所示。

表1 45号钢主要性能参数

3 仿真结果分析

通过仿真，得到了行走轮的应力变化，如图5所示。由此可知，随着行走轮啮合的不断进行，轮齿靠近齿根部出现了较大的应力集中现象，且前期呈逐渐增大的变化趋势，分析其原因为：在啮合刚开始时，轮齿通过单齿啮合方式提高整机所需的驱动力，在轮齿接触面上出现了较大的接触力，且由于根部提供的作用力相对更大，导致其齿根部位出现了较大的弯矩，随着啮合位置的不断加深，弯矩也不断增大，从而齿根处出现了较大的应力集中现象。随着啮合的不断进行，啮合逐渐分离，在齿顶部位也出现了应力集中现象，此时，由于下一个齿轮也进行了啮合过程，导致齿顶处的应力值相对较小。由此，随着齿轮的长期运行，将会出现不同程度的磨损、断裂等故障现象，且齿根处将会率先出现断裂现象，这与行走轮的实际失效情况基本吻合。因此，需对行走轮进行优化改进。

图5 采煤机行走轮不同时刻应力变化

4 行走轮结构改进的具体措施

4.1 提高行走轮的耐磨性

目前，国内拥有较多的低合金高碳钢材料，如18Cr2Ni4W、17Cr2Ni2Mo等。这些材料具有较高的材料硬度，且整体的结构韧性相对较好，将其应用到行走轮上，并经过渗碳、淬火处理，可有效提高行走轮的表面硬度和齿心韧性，降低行走轮的失效概率。

4.2 防止齿根断裂

针对行走轮齿根处更易发生结构断裂故障问题，可结合理论计算对其齿根处进行结构加强、增加根部圆弧直径、增加齿轮厚度等措施，来预防齿根发生断裂现象；同时，在设计过程中，需对导向滑靴水平方向与垂直方向的间隙进行合理设计，由此，可有效提高行走轮齿根处的结构性能。

4.3提高行走轮载荷的均匀分布性

在采煤机工作过程中，经常出现一拖二的牵引方式进行牵引运动，而此方式将会导致单个齿轮因受到较大的外界作用力而出现受力不均匀现象，行走轮长期处于此状态，将极可能出现断裂故障，此牵引方式在采煤机作业中需禁止采用，可采用一拖一的牵引方式。同时，在电气设备上，可增加采煤机过载作业的报警系统，以此来改善行走轮上的载荷分布情况。

5 结 语

根据采煤机行走轮的实际使用情况，对轮齿的磨损失效、断裂失效等主要故障类型进行了分析，并进行了仿真分析研究，结合仿真结果，从提高行走轮的耐磨性、防止齿根断裂、提高行走轮载荷的均匀分布性等方面，提出了行走轮结构优化改进的具体措施，对提高采煤机行走轮结构性能、保障采煤机的安全生产具有重要意义，也为进一步开展采煤机行走轮的结构优化研究提供了参考思路。