采煤机摇臂齿轮轴结构特性分析.pdf

煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 0引言 采煤机作为煤矿综采工作面主要设备之一， 为了 保证煤炭顺利开采，要求采煤机具有较高的可靠性。 摇臂齿轮箱的作用是给综采工作面采煤机截割煤壁 传递动力， 同时经常发生故障的部件， 已经成为采煤 机机械部分可靠性最薄弱环节， 严重制约了综采工作 面的产量。 通过故障统计分析发现， 由于煤矿井下工作环境 复杂、 工作条件恶劣， 二轴总成上的齿轮及轴承经常 发生故障， 对于整个齿轮箱的使用性能及可靠性有很 大的影响， 因此针对该齿轮轴总成， 对其进行力学分 析， 以期找到其失效原因， 提出相应措施， 提高齿轮轴 总成的结构性能， 为采煤机的设计以及优化改进提供 了理论依据， 从而达到采煤机可靠性开采的目的。 1采煤机摇臂齿轮箱结构 摇臂齿轮箱是采煤机截割部的重要组成部分之 一， 通过摇臂齿轮箱， 将截割电机的动力传递到滚筒， 从而实现落煤和装煤。 采煤机摇臂齿轮箱有以下几个 特点 1）电机齿轮轴的一端连接电机输出轴，将电机 的动力传递至二轴， 另一端连接液压制动器。 2）惰轮组的作用是传递动力， 不调整速度大小。 3）牵引轴与中心齿轮组相连，是装置的第二级 减速部件， 所受载荷较大。 4）中心齿轮组包括大齿轮和太阳轮，分别与上 级牵引轴和下级行星减速器的行星轮相连， 动力最终 传递给行星轮。 5）牵引行星减速器为两级行星减速，两级行星 轮个数分别为三个和四个， 行星架和太阳轮都是浮动 结构， 可使内部行星轮受力均匀。 图 1采煤机摇臂齿轮箱结构图 其中二轴总成上的齿轮及轴承经常发生故障， 齿 面点蚀剥落、 断齿等导致停机维修， 给生产带来严重 采煤机摇臂齿轮轴结构特性分析 赵 聪 慧 （山西煤炭进出口集团煤业管理有限公司晋南分公司 ，山西 蒲县041200） 摘要 摇臂齿轮箱是采煤机经常发生故障的设备， 尤其是二轴总成上的齿轮及轴承故障率最高， 严 重影响了整个齿轮箱的使用性能及可靠性。因此， 针对采煤机摇臂齿轮箱结构的特点， 对该齿轮轴进 行受力分析， 同时利用 Solidworks 软件建立了三维模型， 并利用 ANSYS 软件对齿轮轴展开了静力学 和模态分析， 从结构设计、 装配、 检查与维修三个方面提出了提高摇臂齿轮轴结构特性的措施， 为采煤 机的设计以及优化改进提供了理论依据， 从而达到采煤机可靠性开采的目的。 关键词 采煤机 ； 摇臂齿轮箱 ； 齿轮 中图分类号 TD42； TH165.3文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020） 02-0086-03 Analysis of the structural characteristics of the gear shaft of the shearer rocker ZHAO Conghui （Shanxi Coal Import and Export Group Coal Management Co., Ltd. Jinnan Branch , Shanxi Puxian , 041200） Abstract Rocker gearbox is a equipment that often fails the shearer, especially the highest failure rate of gear and bearing on the second axle assembly, which seriously affects the perance and reliability of the entire gearbox. Therefore, in view of the characteristics of the shaft rocker gearbox structure, the gear shaft is analyzed, the three-dimensional model is established using Solidworks software, and the static and modal analysis of the gear shaft is carried out by USING ANSYS software, from the structural design, assembly, The inspection and mainte- nance of three aspects put forward measures to improve the structural characteristics of the rocker gear shaft, for the design of the shearer and optimize the improvement of the theoretical basis, so as to achieve the reliable mining purposes of the shearer. Keywords Shearer ; Rocker Gearbox ; Gear 86 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 经济损失， 因此本文主要是针对二轴齿轮轴总成进行 研究。 2齿轮轴力学分析 根据采煤机摇臂的工作情况，以及齿轮轴的受 力特点， 利用弯扭合成的原理， 对齿轮轴进行力学分 析以及强度校核。齿轮轴上的力分解为水平和竖值 两个方向， 等效为集中作用力， 作用在齿宽的中点。 支座反力的位置与轴承参数有关， 包括轴承的类型、 安装位置以及轴承的安装方式。图 2 为齿轮轴受力 计算简图。 图 2齿轮轴受力计算简图 齿轮上的切向力 Ft和径向力 Fr的计算公式如 下 Ft 2T d FrFttan琢（1） 式中 T 为转矩，该齿轮轴的转矩为 4.082 106N mm； d 为齿轮分度圆直径， mm； 琢 分度圆压力 角， 琢20。 该摇臂齿轮轴总成齿轮分度圆直径为 272mm， 轴齿轮直径为 207mm，因此可计算出齿轮切向力为 30123N、 轴齿轮切向力 39456N、 齿轮径向力 10884N、 轴齿轮径向力 14268N。 3结构特性有限元分析 3.1三维模型建立 本文所选择的三维建模软件为 Solidworks 软件， 三维实体建模为了实际可操作性， 通常需要对结构进 行简化， 简化原则一般包括以下几点 1）零部件的主要尺寸不能改变，结构中危险部 位的结构细节不能简化。 2）结构中的应力集中部位不能简化。 3）在不改变整体结构强度、 刚度、 以及整机性能 等条件下， 对难以划分网格的部位进行适当修改和简 化， 降低网格划分的难度。 4）对结构强度以及分析结果不会造成影响的结 构特征进行简化， 例如工艺小孔、 圆角以及倒角等。 齿轮轴总成三维建模时， 简化了螺栓、 垫圈， 保留 了轴齿轮、 齿轮、 端盖、 轴承。 同时对圆角、 倒角进行了 简化处理。齿轮轴总成的三维模型如图 3 所示。 图 3齿轮轴总成三维模型 3.2齿轮轴总成有限元模型建立 3.2.1单元类型及材料参数 首先对材料属性、 单元类型等进行设置。单元类 型选择会影响到分析的准确性， 结合齿轮轴总成及各 零部件的结构特点，本文选择 SOLID45 三维实体单 元， 材料的弹性模量 2.21011Pa、 泊松比 0.27、 密度 7.91103kg/m3。 3.2.2网格划分 为了保证齿轮轴总成及各零部件网格划分时单 元尺寸的合理性，同时不出现质量较差的单元形状， 采用自由网格划分方法，网格单元长度为 10mm， 齿 轮轴总成网格划分结果如图 4 所示。 图 4齿轮轴总成网格模型 3.2.3边界条件 边界条件的设定时，在齿轮轴的两端面施加沿 x、 y、 z 三个方向的平动约束，在齿轮轴两端圆柱面施 加绕 x、 y 轴两个方向的的转动约束。 3.3齿轮轴静力学分析 对齿轮轴总成、 轴齿轮和齿轮进行了静力学分析， 变 形分布云图和等效应力分布云图如图 57 所示。齿 轮轴的变形量很小， 最大应力为 10.3MPa， 出现在轴 齿轮齿根的位置， 其对结果的影响可以忽略不计。只 对轴齿轮和齿轮进行加载时， 计算出的应力就会大大 增加， 齿轮轴最大应力为 56.4MPa、 齿轮的最大应力 139 MPa。分析其原因是结构的刚度对应力包括大小 和分布都有很大影响。因此， 在进行结构设计时， 既 对结构的强度和刚度同时进行校核。 87 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 （a）变形分布云图（b）等效应力分布云图 图 5齿轮轴总成有限元计算结果 （a）变形分布云图（b）等效应力分布云图 图 6齿轮轴有限元计算结果 （a）变形分布云图（b） 等效应力分布云图 图 7齿轮有限元计算结果 3.4齿轮轴模态分析 对齿轮轴总成中的轴齿轮进行了模态分析， 表 1 列出了轴齿轮的前 8 阶固有频率。计算结果表明， 与 轴齿轮的转动频率相比，轴齿轮的固有频率较高， 不 会发生共振。 表 1齿轮轴前 8 阶固有频率 综上， 该齿轮轴总成的最大应力出现在轴齿轮齿 根部位， 同时变形量及应力相对较小。但是齿轮工作 时， 承受周期性交变应力载荷， 极容易出现疲劳失效。 单独对轴齿轮和齿轮进行加载时，应力明显增大， 说 明结构的刚度对应力的大小和分布影响很大。 因此在 结构设计阶段， 应取较大的安全系数， 对强度和刚度 同时进行校核。 4提高摇臂齿轮轴结构性能措施 1）结构设计方面。 针对齿轮轴的薄弱环节， 不断 优化设计水平， 改进用材用料， 完善制作工艺， 强化齿 轮箱结构稳定性和可靠性。 2）装配方面。装配是影响齿轮件使用寿命的重 要因素，严格控制齿轮啮合以及轴承的装配参数， 提 高装配精度， 减少装配误差。 3）检查与维修。做到日常巡视， 及时发现异响和 高温， 及时处理异常故障； 定期开箱检查， 提前发现齿 轮疲劳点蚀等问题，必要时可采用振动检测设备， 对 齿轮件进行振动检测和诊断， 做到早预防早处理。 5结论 对齿轮轴进行了受力分析，以及 ANSYS 有限元 静力学和模态分析， 结果表明该齿轮轴总成的最大应 力出现在轴齿轮齿根部位， 同时变形量及应力相对较 小。 但是齿轮工作时， 承受周期性交变应力载荷， 极容 易出现疲劳失效。单独对轴齿轮和齿轮进行加载时， 应力明显增大， 说明结构的刚度对应力的大小和分布 影响很大。因此在结构设计阶段， 应取较大的安全系 数， 对强度和刚度同时进行校核。从结构设计、 装配、 检查与维修三个方面提出了提高摇臂齿轮轴结构特 性的措施， 为采煤机的设计以及优化改进提供了理论 依据， 从而达到采煤机可靠性开采的目的。 参考文献 [1] 庞玉龙.采煤机截割机构摇臂减速箱故障诊断分析[J].机 械管理开发,2019,34 （01） 123-125. [2] 毛君,刘晓宁,陈洪月,宋秋爽.采煤机截割部传动系统建 模与动力学分析[J].机械强度,2019,41 （01） 125-132. [3] 张延超,吴鲁纪,尹明虎,崔亚辉,郭智鹏.某型采煤机摇臂 传动系统故障机理分析 [J]. 机械传动,2018,42（11） 137-141. [4] 李丽,孙伟忠.基于 ANSYS 和 ADAMS 的矿用减速器齿轮 传动系统的数学建模仿真 [J]. 煤炭技术,2018,37 （11） 259-260. [5] 任聪.采煤机摇臂传动系统的优化设计[J].机械管理开发, 2018,33 （09） 4-512. 作者简介 赵聪慧 （1964-） ， 男， 山西夏县人， 1986 年毕业于阜新矿业 学院矿山机械专业， 工程师， 现从事煤矿机电管理工作。 （收稿日期 2019-7-8） 阶数固有频率/Hz阶数固有频率/Hz 第 1 阶584.8第 5 阶906.5 第 2 阶625.3第 6 阶1162.8 第 3 阶692.6第 7 阶1467.4 第 4 阶735.4第 8 阶1702.1 88