采煤机行走机构的应力分析(1).pdf

■ 业 金 友 一步对齿轨以及整个传动结构详细的计算 。分析，为最终找到齿轮轮齿断裂的根本原 冈和提出解决办法打下了良好的基础。 一、行走齿轮一销轨内部应力和接触 ‘一 一，} 、⋯ 一一4 4 一_ J - ’- ⋯ ’ 随着采煤机生产率的不断提高，综合 机械化采煤设备朝着大功率、高牵引力方 向发展。对采煤机牵引机构的性能，诸如 结构、强度运行平稳性等要求越来越高。 目前。常用的无链牵引机构有齿轮一 销轨、销轮一齿条及链轨式等形式。我国 生产的采煤机大多采用齿轮一销轨式机 构，它具有良好的运行平稳性，对底板的 起伏、中心距和销轨节距的变化有较强的 适应性。齿轮一销轨传动副通过接触把圆 周运动转换成直线运动。根据接触理论， 齿轮与销轨相啮合时将会产生较大接触 应力，成为该机构点蚀和磨损的主要原 因。销轨在使用中同样容易磨损，尤其是 在接触部位。 大量的工程应用已充分证明有限元参 数二次规划法是解决空间接触问题的一种 先进的、行之有效的方法。本文采用基于参 变量变分原理的有限元参数二次规划法， 并结合多重子结构技术分析求解行走齿 轮一销轨的三维接触问题，按照行走齿 轮一销轨 简称齿轨 实际几何关系建立了 三维接触计算模型，对齿轨接触问题进行 了初步的计算分析，得出齿轨内部应力和 接触力的分布规律。根据计算结果分析了 齿轨接触部位磨损的根本原因，初步分析 了行走齿轮的轮齿断裂的可能原因。为下 力计算模型 按照行走齿轮的实际几何形状建立 有限元计算模型。本文以研究接触部位应 力和轮齿断裂原因为目标．故对于行走齿 轮的轮心部位的螺栓孔、远离接触部位的 倒角做省略处理。齿轨模型有限元网格划 分的难点在于齿轮的直径在5 0 0 m m 左 右，而接触面的宽度仅为几毫米。为此分 析采用多重子结构方法．对含接触面部分 的子结构单元划分较密，对远离接触面的 子结构单元划分尽可能稀疏。这样既能满 足接触计算精度的要求，又能节省计算时 间。由于轮齿是对称结构，建模时只取一 半划分有限元网格，并作为基本子结构， 共划分了2 4 1 5 个节点，1 9 7 4 个八节点等 参块体元。然后将其镜射调用为一个轮 齿。再将其旋转调用1 0 次成为整个行走 齿轮。与齿轮的网格划分类似，由于销轨 结构的对称性．按照实际的几何尺寸，选 取销轨的一半划分有限元网格，共划分 1 9 3 8 个节点，1 6 5 6 个等参块体元。然后将 其镜射调用为一个销轨。 整体的有限元网格是由行走齿轮和销 轨组成的两体接触结构。接触位置的不同 对齿轨的内部应力和接触应力的大小和分 布将有很大的影响，故选取接触位置之前， 先对齿轨的接触关系进行初步的分析。 根据单个齿轨接触过程中。齿轮的旋 转角度不同，齿轮与销轨的接触可以分为 以下几个接触位置。为了判断接触力对齿 根的弯矩是不是轮齿断裂的原因，比较这 五个接触位置．虽然接触点距离齿根最 大，但后面相邻的一个轮齿已经与相邻的 销轨相接触．对齿根的弯矩将有两个轮齿 共同分担．并非弯矩最大位置。故选取接 触点距离齿根较远 弯矩较大 的位置建 立整体的计算模型。 二、计算结果分析 应用基于参变量变分原理的有限元 参数二次规划法对齿轨计算模型进行了 求解，得出了行走齿轮、销轨的内部应力， 以及齿轨的接触力。 齿轨内部应力，是指接触部位齿轮轮 齿的应力分布 单位均为千克力和毫米，均 为M I S E S 应力 。可见，最大应力位于靠近 接触位置的边缘，达到2 5 2 2 ．3 M P a 。实际中 不可能存在这么大的应力．它远远大于一 般碳钢的几百兆帕的屈服极限．表明其已 经进入塑性变形阶段。除了接触部位以外． 大部分结构的应力都比较小，即使在被认 为弯矩较大的轮齿根部，最大应力也只有 5 7 ．4 M P a ．远远小于材料的屈服极限，处于 弹性变形阶段。因此可以判断，接触力对齿 根的弯矩不是齿轮齿根断裂的原因。而位 于接触位置的轮齿边缘，由于高应力而产 生塑性变形，在反复接触载荷作用下，必然 会产生裂纹．并不断扩展，最终导致轮齿断 裂。而要找到轮齿齿根发生断裂其根本原 因。则需要对齿轨接触作进一步的分析。 整个销轨的应力分布。在齿轨接触 力作用下，销轨的最大M I S E S 应力为 1 8 3 7 ．1 M P a ，位于与齿轮边缘最大应力位 置相对应的两侧。同样，这一数值远远超 过了材料的屈服极限，表明其已经进入到 塑性变形阶段。在接触区的中心部位，应 力也达到了1 0 0 0 M P a 左右，可以判断，在 接触力的反复作用之下，接触表面的磨损 不可避免。 本文采用参变量变分原理及基于此原 理的有限元参数二次规划法来求解齿轨弹 性接触问题，经过大量的计算，求出了行走 齿轮和销轨的内部应力和齿轨接触力。根 据计算结果可以得出以下结论l 、最大应 力位于靠近接触位置的边缘，其数值远远 超过材料的屈服极限，已经进入塑性变形 阶段。可以预见．在轮齿的边缘将产生裂 纹，并且不断的扩展。导致最终发生轮齿断 裂。2 、除了接触区域外，大部分结构的应力 都比较小，轮齿根部的应力也比较小，这表 明接触力对齿根的弯矩不是导致轮齿断裂 的直接原因。但在齿根产生裂纹后．可能会 加速裂纹的扩展。3 、齿轨接触面的形状近 似于矩形，摩擦系数对接触力数值和分布 的影响很小。4 、齿轨间接触力中，纵向、横 向摩擦力相对较小，法向力在接触力中起 主导作用。由于齿轨间比较大的法向力作 用．必然导致接触表面的疲劳磨损。 因此，为了最终解决齿轨疲劳及断裂 问题．一方面应该进一步对齿轨模型进行 弹塑性接触计算．以得到更准确的应力分 布．同时进一步分析外载荷条件与接触应 力变化关系。另一方面，根据计算结果对 齿轮和销轨的几何尺寸进行优化设计，以 减小齿轨间的接触应力。 作者单位双鸭山矿业集团东荣三 矿 采煤机行走机构的应力分析 万方数据