行进速度对连续采煤机驱动轮的影响

李虹涛

(山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000)

0 引言

连续采煤机是煤矿巷道掘进采煤的重要设备。一般连采机采用左、右行走机构对称布置于两侧，交流变频调速电机直接驱动行走机构的驱动轮正反转从而实现连采机的前进和后退[1-2]。驱动轮是连采机重要的驱动零件，其能否可靠地运行对煤矿生产效率具有重要影响。适当提高采煤机的行进速度可提高采煤机的工作效率，受履带交变应力的作用，驱动轮会产生应力集中与变形，容易使轮齿发生断裂[3-5]。为了解采煤机行进速度对驱动轮应力与变形的影响，本文采用有限元法对处于不同行进速度下驱动轮轮齿的受力情况进行分析，以便为合理选择采煤机的行进速度提供理论依据。

1 采煤机行进过程的受力分析

截割头是采煤机进行巷道掘进与采煤的主要执行部件，截割头上有众多截齿对周围的煤层进行切割。分析掘进采煤过程中截割头的受力是分析驱动轮受力的前提。当采煤机以水平速度v向前行进时，截割头的受力是复合力，煤层对截割头有反作用力，为进给阻力F1；同时，为方便切割，截割头形状为近似三角形，受其形状的影响，截割头还受到煤层对其的侧向力F2。采煤机截割头的受力分析如图1所示。

图1 采煤机截割头的受力分析

2 有限元分析

鉴于有限元法具有快速建模与强度分析能力，本文采用有限元法对采煤机的驱动轮进行受力分析。连采机的驱动系统主要由底座、履带和驱动轮组成，根据连采机厂家提供的具体参数，应用目前主流的三维建模软件SolidWorks对连采机的驱动轮进行三维实体建模。将三维模型通过中间格式igs导入有限元分析软件ANSYS，通过添加载荷和边界条件，对驱动轮进行应力与变形求解。

2.1 载荷与约束

连采机驱动轮是在牵引电机的驱动下实现前进，在驱动轮转动过程中，主要有4个齿与其相邻的履带板相互接触，受煤层与巷道对采煤机截割反力的作用。驱动轮轮齿上的作用力主要为履带板对其的反作用力，可分为垂直于齿面和与齿面相切的两个分力，两个分力大小可根据文献[3]提出的方法来计算。驱动轮轮齿的约束及载荷如图2所示，其中X方向为与齿面垂直方向，Y向为与齿面相切的方向，垂直于X方向。

为简化计算，只在主要受载的轮齿2上单独添加载荷条件。在有限元分析软件ANSYS中，添加垂直于齿面的法向载荷Fx和Fy，轮齿内部添加固定约束，释放沿轴线旋转的自由度。

根据文献[3]提供的方法，对掘进机的掘进速度为3 m/min～7 m/min时的截割反力Fx、Fy进行求解，其结果如图3所示。

2.2 有限元分析结果

在有限元分析后处理中添加等效应力与变形为分析结果。驱动轮在行进速度为4 m/min时的应力与变形云图如图4所示。从图4中可知:驱动轮的最大应力位于轮齿1的根部，最大应力为47 MPa，齿轮齿根部位的应力集中容易出现断齿现象；驱动轮的最大变形为0.018 mm，位于轮齿1的齿顶端部位。

2.3 掘进速度对应力与变形的影响

采用相同有限元分析方法与流程，对不同行进速度下的驱动轮进行受力分析，通过添加不同的掘进反力Fx、Fy,求解不同掘进速度下驱动轮的应力与变形响应，其结果如图5所示。

图2 驱动轮施加 图3 不同掘进速度 约束与载荷 对应的截割反力

图4 掘进速度为4 m/min时驱动轮的应力与变形分布

从图5中可以看到:随着行进速度的增大，驱动轮齿的最大应力与变形快速上升。驱动轮材料为42CrMo，其屈服极限为930 MPa，当采煤机在速度小于7 m/min行进时，驱动轮的应力最大为130.2 MPa，远小于驱动轮材料的屈服极限，表明采煤机在该行进速度下是安全的。

3 结语

针对连采机驱动轮容易失效问题，采用有限元法对连采机在不同行进速度下驱动轮的应力与变形进行分析。分析结果表明：随着行进速度的增大，驱动轮的应力与变形急剧增大，在行进速度小于7 m/min时，驱动轮的最大应力为130.2 MPa,小于材料的屈服极限，驱动轮是安全的。分析结果为合理选择采煤机的行进速度提供了理论依据。

图5 行进速度对驱动轮应力与变形的影响