采煤机齿轨轮与销排的动态响应

采煤机齿轨轮与销排的动态响应

0受力分析研究运行系统是一种用于传输和提取煤机的系统。如果出现问题，整个采煤机将停止运行，并影响正常生产。所以,行走机构的关键零件齿轨轮的受力分析研究就显得尤为重要。本文针对采煤机齿轨轮渐开线齿形进行齿形优化设计,基于有限元分析软件Abaqus,对采煤机齿轨轮与销排啮合过程进行接触动态分析,以齿轨轮的应力分布和大小为分析对象,找出与销排销齿配对啮合最为平稳的齿轨轮齿形,达到指导齿轨轮的设计与优化的目的,从而提高齿轨轮的使用寿命和采煤机牵引平稳性,这对于提高采煤机整机工作的可靠性十分必要。1元模型的构建1.1齿和齿的轨道1荷作用下的鼓形齿运输机销排销齿的设计中,为了补偿由于制造引起的误差和在载荷作用下引起的歪斜量、磨损量及弹性变形量,一般采用经过齿向修形齿的鼓形齿的结构。本文忽略齿向对齿廓齿形的影响,模拟中使用图1所示齿形的销排与采煤机齿轨轮做动态模拟分析。2齿轨轮齿形设计图2a所示为原渐开线齿形,图2b所示为新设计经过修形的包络销齿的齿轨轮齿形。从外形来看,包络齿形有比较厚的齿根,两种齿形在分度圆上具有不同的压力角。1.2旋转控制载荷MG2210型采煤机的相关参数如下:整机重量为G=151t;单牵引功率P=150kW;牵引力F=550kN～1110kN;牵引速度v=13.6m/min。实际工况条件下,采煤机牵引力随滚筒截割反力的作用而随机变化,为了保证采煤机在牵引过程中齿轨轮在最严重的工作状态下不发生失效,取齿轨轮为最大的受力状态施加载荷。分析中,根据牵引机构电机的牵引功率转化为施加在齿轨轮上的扭矩,并将其等效为施加在销排上的牵引反力。1.3齿轨轮模型的建立整个牵引机构的实体简化模型包括齿轨轮、销排、齿轮轴、顶板和底板刚柔混合实体,简化原则是在模拟实际工况的前提下,考虑为后续力学模型的创建提供合理平台。首先对齿轨轮的齿廓部位进行SolidWorks三维建模,对销排模型中与齿轨轮接触的销齿部位鼓齿齿廓进行精确建模,并将齿轨轮和销排分别以柔性体导入Abaqus/CAE环境。简化的有限元模型将实际齿轨轮的旋转副和平移副根据运动的相对性特点,分别简化为齿轨轮的定轴转动和销排的平动模型;导向滑靴承受采煤机部分重力,与销排上沿的接触简化为顶板与销排上沿的接触,以限制销排在竖直方向上的移动,使其平移运动更加平稳,避免出现模型的振荡现象;刮板输送机与工作面的接触简化为销排与底板的接触。销齿和齿轨轮接触的有限元模型如图3所示。此模型经过反复调试后满足齿轨轮真实受力情况。在Abaqus分析中选择DynamicExplicit(动态显示)分析步,并设置分析考虑模型的几何非线性;另外,分析定义两种摩擦因数0.2与0.25,分别用于齿轨轮和销排的接触和销排与顶、底板之间的接触;对所有零件实行边界约束,并在销排上添加大小为760kN的牵引反力。2模拟结果与分析2.1齿轮强度分析1齿轨轮有限元仿真数值分析方法传统的齿轨轮弯曲强度计算是假定全部载荷由一对轮齿承担,并按照悬臂梁模型将载荷作用于齿顶,这种计算模型得出轮齿极限弯曲应力,并与许用弯曲应力对比进行齿轮弯曲强度的设计。齿轨轮的有限元仿真数值分析方法注重零部件在实际工作状态下的应力分布与大小,使设计人员在整机试验之前,直观的看到零部件在工作条件下的应力分布,为优化设计提供依据。图4、图5分别为为齿轨轮渐开线齿形和包络线齿形的齿根单元集合在一个平稳啮合分析周期内的应力值随时间的幅值曲线。对比两种齿廓的齿根应力峰值,可知两种曲线应力峰值大致相等,这个数值是由负载所决定。但明显可以看出,渐开线幅值曲线的波动性比包络线的大,包络线齿廓啮合更加平稳且减小了齿根应力的波动范围。2齿轨轮齿面接触应力图6、图7是模拟销排和齿轨轮一个轮齿啮合周期内齿轨轮齿面接触应力曲线。对比可以看出,包络线齿廓整体齿面接触应力比较低、应力幅值波动不大且受力均匀。2.2齿轨轮齿廓速度波动图8a、图8b分别为渐开线齿廓和包络线齿廓下采煤机牵引速度曲线,是齿轨轮和销排啮合一个轮齿的啮合时间周期内的速度曲线,从两齿形啮合幅值波动范围可以看出:原齿廓速度波动幅值为19mm/s,改进后齿廓速度幅值波动为7mm/s,改进后齿轨轮齿廓提高啮合平稳性2.7倍。2.3销排齿齿廓的缝合区间根据齿轨轮与销排销齿啮合过程在不同的啮合位置,得到两种齿廓齿形情况下对应在销排销齿齿廓的啮合区间:图9中AA区间为渐开线齿轨轮与销排的啮合区间,BB区间为包络线齿轨轮与销排的啮合区间。可以看出,区间BB整体分布在与齿轨轮分度圆相切的销排啮合中心线周围,更有利于齿轨轮和销排的啮合受力。3齿轨轮包络线的特点应用有限元分析软件Abaqas对MG2210-WD型采煤机齿轨轮进行动态分析,分析得出改进后的齿轨轮包络线齿廓齿形的齿根弯曲应力和齿面接触应