行進速度對連續采煤機驅動輪的影響

李虹濤

(山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

連續采煤機是煤礦巷道掘進采煤的重要設備。一般連采機采用左、右行走機構對稱布置于兩側，交流變頻調速電機直接驅動行走機構的驅動輪正反轉從而實現連采機的前進和后退[1-2]。驅動輪是連采機重要的驅動零件，其能否可靠地運行對煤礦生產效率具有重要影響。適當提高采煤機的行進速度可提高采煤機的工作效率，受履帶交變應力的作用，驅動輪會產生應力集中與變形，容易使輪齒發生斷裂[3-5]。為了解采煤機行進速度對驅動輪應力與變形的影響，本文采用有限元法對處于不同行進速度下驅動輪輪齒的受力情況進行分析，以便為合理選擇采煤機的行進速度提供理論依據。

1 采煤機行進過程的受力分析

截割頭是采煤機進行巷道掘進與采煤的主要執行部件，截割頭上有眾多截齒對周圍的煤層進行切割。分析掘進采煤過程中截割頭的受力是分析驅動輪受力的前提。當采煤機以水平速度v向前行進時，截割頭的受力是復合力，煤層對截割頭有反作用力，為進給阻力F1；同時，為方便切割，截割頭形狀為近似三角形，受其形狀的影響，截割頭還受到煤層對其的側向力F2。采煤機截割頭的受力分析如圖1所示。

圖1 采煤機截割頭的受力分析

2 有限元分析

鑒于有限元法具有快速建模與強度分析能力，本文采用有限元法對采煤機的驅動輪進行受力分析。連采機的驅動系統主要由底座、履帶和驅動輪組成，根據連采機廠家提供的具體參數，應用目前主流的三維建模軟件SolidWorks對連采機的驅動輪進行三維實體建模。將三維模型通過中間格式igs導入有限元分析軟件ANSYS，通過添加載荷和邊界條件，對驅動輪進行應力與變形求解。

2.1 載荷與約束

連采機驅動輪是在牽引電機的驅動下實現前進，在驅動輪轉動過程中，主要有4個齒與其相鄰的履帶板相互接觸，受煤層與巷道對采煤機截割反力的作用。驅動輪輪齒上的作用力主要為履帶板對其的反作用力，可分為垂直于齒面和與齒面相切的兩個分力，兩個分力大小可根據文獻[3]提出的方法來計算。驅動輪輪齒的約束及載荷如圖2所示，其中X方向為與齒面垂直方向，Y向為與齒面相切的方向，垂直于X方向。

為簡化計算，只在主要受載的輪齒2上單獨添加載荷條件。在有限元分析軟件ANSYS中，添加垂直于齒面的法向載荷Fx和Fy，輪齒內部添加固定約束，釋放沿軸線旋轉的自由度。

根據文獻[3]提供的方法，對掘進機的掘進速度為3 m/min～7 m/min時的截割反力Fx、Fy進行求解，其結果如圖3所示。

2.2 有限元分析結果

在有限元分析后處理中添加等效應力與變形為分析結果。驅動輪在行進速度為4 m/min時的應力與變形云圖如圖4所示。從圖4中可知:驅動輪的最大應力位于輪齒1的根部，最大應力為47 MPa，齒輪齒根部位的應力集中容易出現斷齒現象；驅動輪的最大變形為0.018 mm，位于輪齒1的齒頂端部位。

2.3 掘進速度對應力與變形的影響

采用相同有限元分析方法與流程，對不同行進速度下的驅動輪進行受力分析，通過添加不同的掘進反力Fx、Fy,求解不同掘進速度下驅動輪的應力與變形響應，其結果如圖5所示。

圖2 驅動輪施加 圖3 不同掘進速度 約束與載荷 對應的截割反力

圖4 掘進速度為4 m/min時驅動輪的應力與變形分布

從圖5中可以看到:隨著行進速度的增大，驅動輪齒的最大應力與變形快速上升。驅動輪材料為42CrMo，其屈服極限為930 MPa，當采煤機在速度小于7 m/min行進時，驅動輪的應力最大為130.2 MPa，遠小于驅動輪材料的屈服極限，表明采煤機在該行進速度下是安全的。

3 結語

針對連采機驅動輪容易失效問題，采用有限元法對連采機在不同行進速度下驅動輪的應力與變形進行分析。分析結果表明：隨著行進速度的增大，驅動輪的應力與變形急劇增大，在行進速度小于7 m/min時，驅動輪的最大應力為130.2 MPa,小于材料的屈服極限，驅動輪是安全的。分析結果為合理選擇采煤機的行進速度提供了理論依據。

圖5 行進速度對驅動輪應力與變形的影響