基于磨損考量的采煤機(jī)行走輪動力學(xué)特性與可靠性提升研究一、引言1.1研究背景與意義煤炭作為我國重要的基礎(chǔ)能源，在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著舉足輕重的地位。采煤機(jī)作為煤礦開采的核心設(shè)備，其性能的優(yōu)劣直接影響著煤炭開采的效率、質(zhì)量與安全。行走輪作為采煤機(jī)的關(guān)鍵部件之一，承擔(dān)著支撐采煤機(jī)機(jī)體重量、傳遞驅(qū)動力以及實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在采煤工作面移動的重要任務(wù)，對采煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行起著不可或缺的作用。在實(shí)際采煤作業(yè)中，采煤機(jī)行走輪工作環(huán)境極為惡劣，不僅要承受來自采煤機(jī)自身的重力、截煤時產(chǎn)生的巨大沖擊力以及復(fù)雜的摩擦力，還要面臨潮濕、粉塵等不良環(huán)境因素的影響。這些因素相互作用，導(dǎo)致行走輪極易出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。磨損會使行走輪的尺寸、形狀發(fā)生改變，進(jìn)而影響其與軌道的嚙合精度，降低行走輪的承載能力和傳動效率。嚴(yán)重時，還可能引發(fā)行走輪的斷裂、脫軌等故障，導(dǎo)致采煤機(jī)停機(jī)維修，不僅增加了設(shè)備維護(hù)成本，還會造成煤炭產(chǎn)量的損失，影響煤礦生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。隨著煤炭行業(yè)對高效、安全開采的需求日益增長，對采煤機(jī)行走輪的性能和可靠性也提出了更高的要求。開展考慮磨損的采煤機(jī)行走輪動力學(xué)分析與可靠性研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。從理論角度來看，深入研究行走輪在磨損過程中的動力學(xué)特性，能夠揭示行走輪的磨損機(jī)理和失效規(guī)律，豐富和完善機(jī)械動力學(xué)和可靠性理論體系，為采煤機(jī)行走輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過建立精確的動力學(xué)模型，分析磨損對行走輪運(yùn)動學(xué)參數(shù)、受力狀態(tài)以及振動特性的影響，可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測行走輪的工作性能，為行走輪的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。從實(shí)際應(yīng)用角度而言，提高行走輪的可靠性和使用壽命，能夠顯著降低采煤機(jī)的故障率和維修成本，提高煤礦生產(chǎn)效率。減少因行走輪故障導(dǎo)致的停機(jī)時間，可增加煤炭產(chǎn)量，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益?？煽康男凶咻嗊€能保障采煤機(jī)的安全運(yùn)行，降低安全事故的發(fā)生概率，為煤礦工人的生命安全提供有力保障。此外，對行走輪的研究成果還可推廣應(yīng)用到其他類似的礦山機(jī)械設(shè)備中，促進(jìn)整個礦山機(jī)械行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在采煤機(jī)行走輪動力學(xué)分析方面，國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了大量研究。國外起步相對較早，利用先進(jìn)的多體動力學(xué)軟件，如ADAMS等，對采煤機(jī)行走輪在不同工況下的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性展開深入研究。通過建立精確的虛擬樣機(jī)模型，能夠較為準(zhǔn)確地模擬行走輪與軌道的嚙合過程，分析其受力情況和運(yùn)動軌跡，為行走輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力支持。例如，[國外學(xué)者姓名1]通過多體動力學(xué)仿真，詳細(xì)分析了行走輪在啟動、加速、勻速和制動等不同工況下的動態(tài)響應(yīng)，揭示了行走輪的動力學(xué)特性與采煤機(jī)工作性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。國內(nèi)學(xué)者也在這一領(lǐng)域取得了顯著成果。[國內(nèi)學(xué)者姓名1]基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立了采煤機(jī)在直線截煤和斜切截煤等典型工況下的虛擬樣機(jī)模型，通過理論計(jì)算和滾筒截煤仿真獲取外載荷，并施加到模型上，深入研究了采煤機(jī)牽引部行走輪在不同截煤工況下的運(yùn)動及受力特性。此外，[國內(nèi)學(xué)者姓名2]運(yùn)用接觸動力學(xué)理論和剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)理論，對采煤機(jī)牽引部行走輪與銷排的動態(tài)嚙合進(jìn)行了動力學(xué)分析，得到了行走輪的動態(tài)接觸力及輪齒應(yīng)力變化規(guī)律，為行走輪的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測提供了重要依據(jù)。在磨損研究方面，國外主要從材料微觀結(jié)構(gòu)、摩擦學(xué)原理等角度深入探究行走輪的磨損機(jī)理。通過先進(jìn)的材料測試技術(shù)和微觀分析手段，如掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析（EDS）等，研究磨損過程中材料表面的微觀變化，開發(fā)新型耐磨材料和表面處理技術(shù)，以提高行走輪的耐磨性能。如[國外學(xué)者姓名2]利用SEM和EDS技術(shù)，對磨損后的行走輪材料表面進(jìn)行分析，揭示了磨粒磨損、粘著磨損等不同磨損形式下材料的微觀損傷機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了一種新型的表面涂層材料，有效提高了行走輪的耐磨性能。國內(nèi)在行走輪磨損研究方面，除了關(guān)注材料和表面處理技術(shù)外，還注重從工程實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，分析采煤機(jī)的工作環(huán)境、載荷特性等因素對行走輪磨損的影響。[國內(nèi)學(xué)者姓名3]通過對現(xiàn)場采煤機(jī)行走輪的磨損情況進(jìn)行調(diào)研和分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，研究了載荷大小、載荷波動、偏載以及潤滑條件等因素對行走輪磨損速率和磨損形式的影響規(guī)律，并提出了相應(yīng)的磨損預(yù)防措施和維護(hù)建議。例如，通過優(yōu)化潤滑方式和潤滑周期，有效降低了行走輪的磨損速率，延長了其使用壽命。關(guān)于可靠性評估，國外已經(jīng)形成了較為完善的理論體系和評估方法，將可靠性工程的理念和方法廣泛應(yīng)用于采煤機(jī)行走輪的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)過程中。采用故障樹分析（FTA）、失效模式及影響分析（FMEA）等方法，對行走輪可能出現(xiàn)的故障模式進(jìn)行分析和預(yù)測，評估其對采煤機(jī)整體可靠性的影響程度，并通過可靠性試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證和改進(jìn)可靠性設(shè)計(jì)。[國外學(xué)者姓名3]運(yùn)用FTA方法，對采煤機(jī)行走輪系統(tǒng)的故障進(jìn)行了分析，建立了故障樹模型，通過對故障樹的定性和定量分析，找出了影響行走輪系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素，并提出了針對性的改進(jìn)措施，提高了行走輪系統(tǒng)的可靠性。國內(nèi)在采煤機(jī)行走輪可靠性評估方面，近年來也取得了一定的進(jìn)展。結(jié)合國內(nèi)煤礦開采的實(shí)際情況，將可靠性理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了一些適用于采煤機(jī)行走輪可靠性評估的軟件和方法。[國內(nèi)學(xué)者姓名4]利用ANSYS-nCode疲勞壽命分析軟件，建立了行走輪疲勞壽命分析流程模塊，通過對行走輪進(jìn)行靜力學(xué)分析和動態(tài)載荷譜提取，基于MINER疲勞線性累積原則，計(jì)算行走輪的疲勞壽命，并分析了載荷大小、輪齒齒面粗糙度等因素對疲勞壽命的影響，為行走輪的可靠性評估提供了一種有效的方法。盡管國內(nèi)外在采煤機(jī)行走輪動力學(xué)分析、磨損研究及可靠性評估方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。在動力學(xué)分析中，對于復(fù)雜工況下多因素耦合作用的考慮還不夠全面，模型的準(zhǔn)確性和通用性有待進(jìn)一步提高；磨損研究中，對磨損過程的動態(tài)監(jiān)測和實(shí)時預(yù)測技術(shù)還不夠成熟，難以實(shí)現(xiàn)對行走輪磨損狀態(tài)的精準(zhǔn)把控；可靠性評估方面，缺乏對采煤機(jī)全生命周期可靠性的綜合評估，且評估方法的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化程度較低。因此，深入開展考慮磨損的采煤機(jī)行走輪動力學(xué)分析與可靠性研究，具有重要的理論和實(shí)際意義，有望在上述薄弱環(huán)節(jié)取得突破，推動采煤機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容采煤機(jī)行走輪的建模與動力學(xué)分析：全面深入地分析采煤機(jī)行走輪的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮采煤機(jī)在不同工況下的實(shí)際運(yùn)行狀況，如啟動、加速、勻速、減速以及制動等，建立精確的行走輪動力學(xué)模型。運(yùn)用多體動力學(xué)理論和相關(guān)分析軟件，對行走輪在不同工況下的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性展開詳細(xì)研究，獲取行走輪的位移、速度、加速度、受力情況以及應(yīng)力分布等關(guān)鍵參數(shù)。特別關(guān)注磨損對這些動力學(xué)參數(shù)的影響，深入探究磨損導(dǎo)致行走輪尺寸和形狀變化后，如何引發(fā)其動力學(xué)特性的改變，以及這些變化對采煤機(jī)整體運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性的潛在影響。采煤機(jī)行走輪的磨損機(jī)理與磨損模型研究：通過深入分析采煤機(jī)行走輪的實(shí)際工作環(huán)境，包括所受的載荷特性（如載荷大小、方向、頻率以及沖擊情況）、摩擦條件（摩擦系數(shù)、摩擦方式）以及潤滑狀況等因素，結(jié)合材料科學(xué)和摩擦學(xué)原理，深入研究行走輪的磨損機(jī)理。綜合考慮多種磨損形式，如磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損等，建立科學(xué)合理的行走輪磨損模型。運(yùn)用該模型對行走輪在不同工作條件下的磨損過程進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測行走輪的磨損量和磨損分布規(guī)律隨時間的變化情況，為后續(xù)的可靠性分析提供準(zhǔn)確的磨損數(shù)據(jù)支持?？紤]磨損的采煤機(jī)行走輪可靠性評估：基于前面所建立的動力學(xué)模型和磨損模型，將磨損因素納入可靠性評估體系，構(gòu)建考慮磨損的采煤機(jī)行走輪可靠性評估模型。運(yùn)用故障樹分析（FTA）、失效模式及影響分析（FMEA）等可靠性分析方法，全面分析行走輪可能出現(xiàn)的各種故障模式及其對采煤機(jī)整體可靠性的影響程度。結(jié)合實(shí)際的工作環(huán)境和運(yùn)行工況，對行走輪的可靠性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和評估，如可靠度、失效概率、平均故障間隔時間等。通過敏感性分析，找出影響行走輪可靠性的關(guān)鍵因素，為制定針對性的改進(jìn)措施提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與改進(jìn)措施研究：設(shè)計(jì)并開展采煤機(jī)行走輪的實(shí)驗(yàn)研究，模擬其實(shí)際工作環(huán)境和工況，對理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行全面驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確測量行走輪的動力學(xué)參數(shù)和磨損量，對比分析理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測量值之間的差異，對動力學(xué)模型和磨損模型進(jìn)行必要的修正和完善，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)可靠性評估結(jié)果和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論，提出一系列切實(shí)可行的采煤機(jī)行走輪改進(jìn)措施。這些措施包括優(yōu)化行走輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用新型的耐磨材料和先進(jìn)的表面處理技術(shù)，改進(jìn)潤滑方式和潤滑條件，以及制定科學(xué)合理的維護(hù)策略等。通過這些改進(jìn)措施，有效提高行走輪的可靠性和使用壽命，降低采煤機(jī)的故障率和維修成本。1.3.2研究方法理論建模與分析方法：運(yùn)用機(jī)械動力學(xué)、材料力學(xué)、摩擦學(xué)等相關(guān)學(xué)科的理論知識，建立采煤機(jī)行走輪的動力學(xué)模型和磨損模型。通過對模型進(jìn)行理論分析，深入研究行走輪在不同工況下的動力學(xué)特性和磨損規(guī)律，為后續(xù)的研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。例如，在建立動力學(xué)模型時，依據(jù)多體動力學(xué)理論，考慮行走輪與軌道之間的接觸力、摩擦力以及采煤機(jī)自身的慣性力等因素，推導(dǎo)出行走輪的運(yùn)動方程和受力方程，從而準(zhǔn)確描述其運(yùn)動和受力狀態(tài)。計(jì)算機(jī)仿真方法：借助先進(jìn)的多體動力學(xué)仿真軟件（如ADAMS）、有限元分析軟件（如ANSYS）以及磨損仿真軟件等，對采煤機(jī)行走輪的動力學(xué)特性和磨損過程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過計(jì)算機(jī)仿真，可以在虛擬環(huán)境中模擬各種復(fù)雜工況，快速獲取大量的分析數(shù)據(jù)，直觀地觀察行走輪的運(yùn)動和磨損情況，為優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性評估提供有力支持。比如，利用ADAMS軟件建立采煤機(jī)行走輪的虛擬樣機(jī)模型，模擬其在不同工況下的運(yùn)行過程，分析行走輪的動力學(xué)參數(shù)變化；運(yùn)用ANSYS軟件對行走輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和疲勞壽命預(yù)測；使用磨損仿真軟件模擬行走輪的磨損過程，預(yù)測磨損量和磨損分布。實(shí)驗(yàn)研究方法：設(shè)計(jì)并實(shí)施采煤機(jī)行走輪的實(shí)驗(yàn)方案，搭建專門的實(shí)驗(yàn)平臺，模擬行走輪的實(shí)際工作環(huán)境和工況。通過實(shí)驗(yàn)，測量行走輪的動力學(xué)參數(shù)、磨損量以及其他相關(guān)性能指標(biāo)，獲取真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)研究不僅可以驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，還能發(fā)現(xiàn)一些在理論和仿真中難以考慮到的實(shí)際問題，為改進(jìn)設(shè)計(jì)和完善模型提供重要依據(jù)。例如，通過在實(shí)驗(yàn)平臺上對行走輪進(jìn)行加載試驗(yàn)，測量其在不同載荷和轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力、應(yīng)變和振動情況；利用磨損實(shí)驗(yàn)設(shè)備，觀察行走輪在不同摩擦條件和潤滑狀態(tài)下的磨損形式和磨損速率。綜合分析與優(yōu)化方法：將理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果進(jìn)行綜合對比分析，全面深入地了解采煤機(jī)行走輪的動力學(xué)特性、磨損機(jī)理和可靠性狀況。針對分析過程中發(fā)現(xiàn)的問題，運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對行走輪的結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝以及潤滑方式等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過多目標(biāo)優(yōu)化算法，尋求最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)組合，以提高行走輪的性能和可靠性，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的高效、安全運(yùn)行。比如，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，以行走輪的強(qiáng)度、剛度、耐磨性和可靠性為優(yōu)化目標(biāo)，以結(jié)構(gòu)尺寸、材料性能、制造工藝參數(shù)等為設(shè)計(jì)變量，運(yùn)用遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等優(yōu)化算法，求解出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。二、采煤機(jī)行走輪工作原理與結(jié)構(gòu)分析2.1采煤機(jī)行走系統(tǒng)概述采煤機(jī)行走系統(tǒng)作為采煤機(jī)的關(guān)鍵組成部分，承擔(dān)著實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在采煤工作面移動的重要任務(wù)，對采煤機(jī)的正常運(yùn)行和煤炭開采效率起著至關(guān)重要的作用。其主要由牽引部、行走部、導(dǎo)向滑靴、銷排以及行走輪等部件構(gòu)成。牽引部是行走系統(tǒng)的動力源，通常由牽引電機(jī)、減速器等組成，負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，為采煤機(jī)的行走提供驅(qū)動力。行走部則是將牽引部傳遞的動力進(jìn)一步傳遞給行走輪，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的直線運(yùn)動。導(dǎo)向滑靴安裝在采煤機(jī)的兩側(cè)，與刮板輸送機(jī)的銷排配合，起到導(dǎo)向和穩(wěn)定采煤機(jī)的作用，確保采煤機(jī)在行走過程中保持正確的軌跡，防止其發(fā)生偏移或晃動。銷排固定在刮板輸送機(jī)上，是行走輪的嚙合軌道，為行走輪提供支撐和前進(jìn)的基礎(chǔ)。采煤機(jī)行走系統(tǒng)的工作流程如下：牽引電機(jī)啟動后，輸出的高速旋轉(zhuǎn)動力通過減速器進(jìn)行減速增扭，將轉(zhuǎn)速降低到合適的范圍，同時增大扭矩，以滿足采煤機(jī)行走的需求。經(jīng)過減速增扭后的動力傳遞到行走部，驅(qū)動行走輪轉(zhuǎn)動。行走輪與銷排相互嚙合，通過輪齒與銷排齒的相互作用，將行走輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為采煤機(jī)的直線運(yùn)動。在行走過程中，導(dǎo)向滑靴緊密貼合銷排，引導(dǎo)采煤機(jī)沿著銷排的方向平穩(wěn)移動。當(dāng)采煤機(jī)需要改變行走方向時，通過控制牽引電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。行走輪在采煤機(jī)行走系統(tǒng)中扮演著核心角色，是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)移動的關(guān)鍵部件。它直接與銷排接觸，承受著采煤機(jī)的全部重量以及截煤時產(chǎn)生的各種載荷，包括重力、摩擦力、沖擊力等。行走輪的性能直接影響著采煤機(jī)的行走穩(wěn)定性、可靠性和效率。如果行走輪出現(xiàn)故障，如磨損、斷裂等，將導(dǎo)致采煤機(jī)行走異常，甚至無法正常工作，嚴(yán)重影響煤炭開采的進(jìn)度和效率。行走輪的設(shè)計(jì)參數(shù)，如齒數(shù)、模數(shù)、齒形等，對其與銷排的嚙合性能和傳動效率有著重要影響。合理的設(shè)計(jì)參數(shù)能夠保證行走輪與銷排之間的良好嚙合，減少沖擊和磨損，提高傳動效率，從而保障采煤機(jī)的高效運(yùn)行。2.2行走輪結(jié)構(gòu)與工作原理采煤機(jī)行走輪通常由輪轂、輪齒和安裝孔等部分構(gòu)成。輪轂作為行走輪的主體支撐結(jié)構(gòu)，一般采用高強(qiáng)度的金屬材料制造，如鑄鋼或合金鋼，以確保其具備足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受采煤機(jī)的重量以及在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各種載荷。輪齒均勻分布在輪轂的外周，是行走輪與銷排直接接觸并實(shí)現(xiàn)動力傳遞的關(guān)鍵部位，其形狀、尺寸和齒形參數(shù)對行走輪的工作性能有著至關(guān)重要的影響。常見的輪齒齒形有漸開線齒形、圓弧齒形等，不同的齒形在傳動效率、承載能力和耐磨性等方面具有各自的特點(diǎn)。安裝孔位于輪轂的中心位置，用于將行走輪安裝在采煤機(jī)的行走部上，通過鍵、花鍵或螺栓等連接件與行走部的傳動軸緊密連接，確保動力能夠可靠地傳遞給行走輪。行走輪與銷排的配合方式為嚙合傳動。銷排通常由一系列的銷齒通過連接件固定在刮板輸送機(jī)的槽幫上，形成一條連續(xù)的軌道。行走輪的輪齒與銷排的銷齒相互嚙合，當(dāng)行走輪在驅(qū)動裝置的帶動下旋轉(zhuǎn)時，輪齒與銷齒之間的嚙合作用使行走輪沿著銷排的方向作直線運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在采煤工作面的移動。在嚙合過程中，行走輪的輪齒從銷排的一端進(jìn)入嚙合，隨著行走輪的轉(zhuǎn)動，輪齒逐漸與銷齒接觸并傳遞動力，當(dāng)輪齒運(yùn)動到銷排的另一端時，完成一次嚙合過程，隨后下一個輪齒進(jìn)入嚙合，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的連續(xù)行走。行走輪的工作原理基于機(jī)械傳動原理。在采煤機(jī)工作時，牽引部的電機(jī)輸出動力，通過減速器將電機(jī)的高速低扭矩輸出轉(zhuǎn)換為低速高扭矩輸出，然后傳遞給行走輪。行走輪在驅(qū)動力的作用下開始旋轉(zhuǎn)，由于輪齒與銷排的嚙合關(guān)系，行走輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動被轉(zhuǎn)化為沿銷排方向的直線運(yùn)動，從而帶動采煤機(jī)整體移動。在行走過程中，行走輪不僅要承受采煤機(jī)的重力，還要承受因截煤作業(yè)而產(chǎn)生的各種阻力，如煤巖的切削阻力、摩擦力以及刮板輸送機(jī)的不平度和彎曲度所引起的附加載荷等。這些載荷會使行走輪受到復(fù)雜的應(yīng)力作用，包括彎曲應(yīng)力、接觸應(yīng)力和剪切應(yīng)力等。如果行走輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或材料性能不足，在長期承受這些載荷的情況下，行走輪容易出現(xiàn)磨損、疲勞裂紋甚至斷裂等失效形式，影響采煤機(jī)的正常運(yùn)行。2.3行走輪在采煤機(jī)運(yùn)行中的作用及失效形式行走輪在采煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行中起著關(guān)鍵作用，是采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)移動和動力傳遞的核心部件。它不僅直接支撐著采煤機(jī)的機(jī)身重量，還通過與銷排的嚙合，將牽引部傳遞的動力轉(zhuǎn)化為采煤機(jī)的直線運(yùn)動，確保采煤機(jī)能夠在采煤工作面順利移動，完成煤炭開采任務(wù)。行走輪的性能直接影響著采煤機(jī)的工作效率和穩(wěn)定性。如果行走輪的制造精度不高，或在使用過程中出現(xiàn)磨損、變形等問題，將會導(dǎo)致行走輪與銷排的嚙合不良，產(chǎn)生較大的沖擊和振動，不僅會降低采煤機(jī)的行走速度和牽引效率，還會影響截煤效果，甚至可能導(dǎo)致采煤機(jī)無法正常工作。行走輪的可靠運(yùn)行對于保障采煤機(jī)的安全作業(yè)至關(guān)重要。一旦行走輪發(fā)生故障，如斷裂、脫軌等，可能會引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，危及操作人員的生命安全。在實(shí)際采煤作業(yè)中，行走輪由于長期處于惡劣的工作環(huán)境，承受著復(fù)雜的載荷和摩擦力，容易出現(xiàn)多種失效形式，其中磨損是最為常見的一種。磨損會導(dǎo)致行走輪的輪齒表面材料逐漸損失，使輪齒的尺寸減小、形狀改變，進(jìn)而影響行走輪與銷排的嚙合精度和傳動效率。隨著磨損的加劇，輪齒的承載能力下降，可能會引發(fā)輪齒的斷裂。磨損還會增加行走輪的運(yùn)行阻力，導(dǎo)致采煤機(jī)的能耗增加，降低設(shè)備的整體性能。根據(jù)磨損的機(jī)理和特征，可將行走輪的磨損形式分為磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損等。磨粒磨損是由于煤塵、巖屑等硬質(zhì)顆粒進(jìn)入行走輪與銷排的嚙合面，在相對運(yùn)動過程中對輪齒表面進(jìn)行切削和刮擦，從而導(dǎo)致材料的磨損。粘著磨損則是在高壓、高溫和潤滑不良的條件下，行走輪輪齒與銷排表面的金屬分子相互吸附和粘著，在相對運(yùn)動時發(fā)生剪切和撕裂，使表面材料轉(zhuǎn)移和脫落。疲勞磨損是由于行走輪在交變載荷的作用下，輪齒表面產(chǎn)生微觀裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展和連接，最終導(dǎo)致材料的剝落。除了磨損，行走輪還可能出現(xiàn)斷裂和變形等失效形式。斷裂通常是由于行走輪受到過大的沖擊載荷、疲勞載荷或材料缺陷等原因引起的。在采煤過程中，當(dāng)采煤機(jī)遇到堅(jiān)硬的煤巖或其他障礙物時，行走輪會受到瞬間的巨大沖擊力，若超過輪齒的強(qiáng)度極限，就可能導(dǎo)致輪齒斷裂。長期的交變載荷作用也會使輪齒產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋的逐漸擴(kuò)展，最終引發(fā)輪齒的斷裂。行走輪的材料質(zhì)量不佳，存在內(nèi)部缺陷，如氣孔、夾雜物等，也會降低輪齒的強(qiáng)度，增加斷裂的風(fēng)險。變形失效主要是指行走輪在過大的載荷作用下，發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致其形狀和尺寸發(fā)生改變，影響正常的工作性能。當(dāng)采煤機(jī)在重載工況下運(yùn)行時，行走輪可能會因承受過大的壓力而發(fā)生輪齒彎曲、輪轂變形等現(xiàn)象。變形后的行走輪會與銷排的嚙合狀態(tài)變差，產(chǎn)生不均勻的受力，進(jìn)一步加劇行走輪的磨損和損壞，嚴(yán)重時會導(dǎo)致采煤機(jī)行走異常，甚至無法正常工作。行走輪的失效會對采煤機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生多方面的不利影響。從生產(chǎn)效率角度來看，行走輪失效會導(dǎo)致采煤機(jī)停機(jī)維修，增加設(shè)備的非生產(chǎn)時間，降低煤炭開采的產(chǎn)量和效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于行走輪故障導(dǎo)致的采煤機(jī)停機(jī)時間，每年會給煤炭企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。從設(shè)備壽命角度而言，行走輪的失效會加速其他部件的磨損和損壞，如銷排、導(dǎo)向滑靴等，縮短整個采煤機(jī)的使用壽命，增加設(shè)備更新和維護(hù)成本。行走輪失效還會對采煤作業(yè)的安全性構(gòu)成威脅，容易引發(fā)安全事故，影響煤礦的安全生產(chǎn)。因此，深入研究行走輪的失效形式和原因，采取有效的預(yù)防和改進(jìn)措施，對于提高采煤機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性，保障煤炭開采的高效、安全進(jìn)行具有重要意義。三、考慮磨損的采煤機(jī)行走輪動力學(xué)分析3.1采煤機(jī)行走輪動力學(xué)建模3.1.1基于多體動力學(xué)理論的建模多體動力學(xué)理論是研究由多個相互連接的剛體或柔體組成的系統(tǒng)在力和運(yùn)動作用下的動力學(xué)行為的學(xué)科。它通過建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用力學(xué)原理和數(shù)值計(jì)算方法，求解系統(tǒng)的運(yùn)動方程，從而分析系統(tǒng)的動力學(xué)特性。在多體動力學(xué)中，將系統(tǒng)中的每個物體視為一個剛體或柔體，通過定義物體之間的連接方式和約束條件，如鉸鏈、滑塊、彈簧等，建立系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型。通過對模型的求解，可以得到系統(tǒng)中各物體的位移、速度、加速度以及受力情況等信息。在采煤機(jī)行走輪動力學(xué)分析中，利用ADAMS軟件建立多體動力學(xué)模型具有重要的優(yōu)勢。ADAMS軟件是一款功能強(qiáng)大的多體動力學(xué)仿真分析軟件，它基于多體動力學(xué)理論，能夠快速、準(zhǔn)確地建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，并對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析。使用ADAMS軟件建立采煤機(jī)行走輪多體動力學(xué)模型時，首先需要在三維建模軟件（如SolidWorks、UG等）中完成采煤機(jī)行走輪及相關(guān)部件（如牽引部、導(dǎo)向滑靴、銷排等）的精確三維建模。建模過程中，需嚴(yán)格按照實(shí)際部件的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保模型的幾何準(zhǔn)確性。例如，行走輪的輪齒形狀、模數(shù)、齒數(shù)等參數(shù)要與實(shí)際一致，銷排的齒形、節(jié)距等也要精確建模，以保證后續(xù)動力學(xué)分析的可靠性。完成三維建模后，將模型以合適的格式（如Parasolid、STEP等）導(dǎo)入ADAMS軟件中。在ADAMS軟件中，對導(dǎo)入的模型進(jìn)行進(jìn)一步處理和參數(shù)設(shè)置。定義各部件的材料屬性，如彈性模量、泊松比、密度等，這些參數(shù)對于準(zhǔn)確模擬部件的力學(xué)行為至關(guān)重要。根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置行走輪與銷排之間的接觸類型和接觸參數(shù)。通常采用Hertz接觸理論來定義接觸力，設(shè)置合適的接觸剛度、阻尼和摩擦系數(shù)等參數(shù)。接觸剛度決定了接觸表面在受力時的變形程度，阻尼用于消耗接觸過程中的能量，摩擦系數(shù)則反映了接觸表面之間的摩擦特性。合理設(shè)置這些參數(shù)能夠更真實(shí)地模擬行走輪與銷排的嚙合過程。對各部件之間的連接關(guān)系進(jìn)行定義，添加相應(yīng)的約束條件。例如，在行走輪與牽引部的連接軸處添加旋轉(zhuǎn)副約束，限制其在其他方向的運(yùn)動，只允許繞軸旋轉(zhuǎn)；在導(dǎo)向滑靴與銷排之間添加滑動副約束，使其能夠沿著銷排方向自由滑動；在采煤機(jī)機(jī)身與大地之間添加固定約束，確保采煤機(jī)整體的穩(wěn)定性。為了使模型能夠準(zhǔn)確模擬采煤機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，還需要添加各種載荷和驅(qū)動。在行走輪的旋轉(zhuǎn)副上添加驅(qū)動，模擬牽引電機(jī)提供的驅(qū)動力，根據(jù)采煤機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度和加速度，設(shè)置合適的驅(qū)動函數(shù)，如速度函數(shù)或扭矩函數(shù)。考慮采煤機(jī)在工作過程中受到的各種外力，如采煤機(jī)自身的重力、截煤時產(chǎn)生的截割阻力、摩擦力以及其他可能的外部干擾力等，并將這些載荷準(zhǔn)確施加到相應(yīng)的部件上。在采煤機(jī)機(jī)身的質(zhì)心處添加重力載荷，根據(jù)采煤機(jī)的質(zhì)量和重力加速度計(jì)算重力大小；將截割阻力等效為集中力或分布力，施加到截割滾筒或相關(guān)部件上；根據(jù)行走輪與銷排之間的接觸情況，計(jì)算摩擦力并施加到接觸面上。通過合理添加這些載荷和驅(qū)動，能夠使模型更真實(shí)地反映采煤機(jī)行走輪在實(shí)際工作中的動力學(xué)行為。3.1.2模型驗(yàn)證與參數(shù)修正建立的采煤機(jī)行走輪多體動力學(xué)模型需要進(jìn)行驗(yàn)證，以確保其準(zhǔn)確性和可靠性。將模型的仿真結(jié)果與實(shí)際采煤機(jī)在相同工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比是一種常用的驗(yàn)證方法。實(shí)際工況數(shù)據(jù)可以通過在采煤機(jī)上安裝各種傳感器來獲取，如加速度傳感器、力傳感器、位移傳感器等。加速度傳感器可以測量采煤機(jī)在運(yùn)行過程中的加速度變化，力傳感器用于測量行走輪與銷排之間的接觸力以及其他部件所承受的力，位移傳感器則可以監(jiān)測采煤機(jī)的位移和行走輪的轉(zhuǎn)動角度等參數(shù)。通過這些傳感器，可以實(shí)時采集采煤機(jī)在不同工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將其作為驗(yàn)證模型的依據(jù)。對比分析仿真結(jié)果與實(shí)際測量數(shù)據(jù)時，重點(diǎn)關(guān)注行走輪的關(guān)鍵動力學(xué)參數(shù)，如位移、速度、加速度以及受力情況等。將仿真得到的行走輪位移曲線與實(shí)際測量的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，觀察兩者的變化趨勢是否一致，以及在數(shù)值上的差異大小。同樣，對速度、加速度和受力等參數(shù)也進(jìn)行詳細(xì)的對比分析。如果仿真結(jié)果與實(shí)際測量數(shù)據(jù)之間存在較大偏差，就需要深入分析原因，并對模型進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)修正。模型參數(shù)設(shè)置不合理可能導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)際情況不符。行走輪與銷排之間的接觸參數(shù)設(shè)置不準(zhǔn)確，如接觸剛度、摩擦系數(shù)等，會影響接觸力的計(jì)算，進(jìn)而影響行走輪的動力學(xué)特性。此時，需要根據(jù)實(shí)際情況對這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。通過多次試算和對比分析，找到最適合的參數(shù)值，使仿真結(jié)果更接近實(shí)際測量數(shù)據(jù)。模型中可能存在一些簡化和假設(shè)，這些簡化和假設(shè)在一定程度上會影響模型的準(zhǔn)確性。在建模過程中，為了簡化計(jì)算，可能忽略了一些次要因素，如部件的彈性變形、局部接觸非線性等。如果這些因素對行走輪的動力學(xué)特性有較大影響，就需要對模型進(jìn)行改進(jìn)，考慮這些因素的影響，重新進(jìn)行建模和仿真分析。通過不斷地將仿真結(jié)果與實(shí)際工況數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并根據(jù)對比結(jié)果對模型參數(shù)進(jìn)行修正和優(yōu)化，可以逐步提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。一個準(zhǔn)確可靠的動力學(xué)模型對于深入研究采煤機(jī)行走輪的動力學(xué)特性、分析磨損對行走輪性能的影響以及進(jìn)行可靠性評估等都具有重要的意義。只有基于準(zhǔn)確的模型，才能得到有價值的分析結(jié)果，為采煤機(jī)行走輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)和故障預(yù)防提供科學(xué)依據(jù)。3.2行走輪載荷分析3.2.1截煤工況下的載荷計(jì)算在采煤機(jī)的工作過程中，截煤工況是其最為常見且關(guān)鍵的工作狀態(tài)，此時行走輪所承受的載荷極為復(fù)雜，準(zhǔn)確計(jì)算這些載荷對于深入了解行走輪的工作性能和可靠性至關(guān)重要。截煤過程主要包括割煤、裝煤和運(yùn)煤等多個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都會對行走輪的載荷產(chǎn)生不同程度的影響。在割煤環(huán)節(jié)，采煤機(jī)的截割滾筒高速旋轉(zhuǎn)，對煤壁進(jìn)行切削，這會產(chǎn)生強(qiáng)大的截割阻力。截割阻力的大小與煤層的硬度、厚度、截割速度以及截齒的形狀和磨損程度等多種因素密切相關(guān)。一般來說，煤層硬度越大、厚度越厚，截割阻力就越大；截割速度越快，截割阻力也會相應(yīng)增加。截齒的磨損會導(dǎo)致其切削性能下降，從而使截割阻力增大。根據(jù)相關(guān)的采煤機(jī)截割理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，截割阻力F_{c}可以通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：F_{c}=k_{1}\cdoth\cdot\sigma_{c}\cdotv_{c}\cdot\xi_{1}其中，k_{1}為截割阻力系數(shù)，它與截齒的形狀、排列方式以及煤層的破碎特性等因素有關(guān)，可通過實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定；h為截割深度，是指采煤機(jī)在一次截割過程中切入煤壁的深度，根據(jù)采煤工藝和煤層條件進(jìn)行設(shè)定；\sigma_{c}為煤層的單向抗壓強(qiáng)度，是衡量煤層硬度的重要指標(biāo)，可通過實(shí)驗(yàn)室測試或現(xiàn)場勘探獲?。籿_{c}為截割速度，即截割滾筒的線速度，由采煤機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和工作要求決定；\xi_{1}為考慮截齒磨損等因素的修正系數(shù)，通常在0.8-1.2之間取值，具體數(shù)值可根據(jù)實(shí)際截齒的磨損情況進(jìn)行調(diào)整。在裝煤環(huán)節(jié)，截割下來的煤需要被裝載到刮板輸送機(jī)上，這一過程會使采煤機(jī)受到一個向后的反作用力，即裝煤阻力F_{l}。裝煤阻力主要由煤的重力、摩擦力以及裝載過程中的沖擊等因素引起。裝煤阻力F_{l}可以通過以下經(jīng)驗(yàn)公式估算：F_{l}=k_{2}\cdotm_{c}\cdotg\cdot\mu_{1}其中，k_{2}為裝煤阻力系數(shù)，與裝煤方式、煤的流動性等因素有關(guān)，一般取值在1.2-1.5之間；m_{c}為單位時間內(nèi)截割下來的煤的質(zhì)量，可根據(jù)采煤機(jī)的生產(chǎn)率和截割參數(shù)計(jì)算得出；g為重力加速度；\mu_{1}為煤與裝載設(shè)備之間的摩擦系數(shù)，通常在0.3-0.5之間。除了截割阻力和裝煤阻力外，采煤機(jī)在行走過程中還會受到刮板輸送機(jī)的摩擦力F_{s}。刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)之間存在相對運(yùn)動，由于兩者之間的接觸表面并非絕對光滑，因此會產(chǎn)生摩擦力。刮板輸送機(jī)的摩擦力F_{s}可根據(jù)以下公式計(jì)算：F_{s}=\mu_{2}\cdot(G+F_{n})其中，\mu_{2}為采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)之間的摩擦系數(shù)，與兩者的接觸材料、表面粗糙度以及潤滑條件等因素有關(guān)，一般在0.2-0.4之間；G為采煤機(jī)的自重，包括機(jī)身、截割部、牽引部等所有部件的重量；F_{n}為采煤機(jī)作用在刮板輸送機(jī)上的垂直壓力，它與采煤機(jī)的工作姿態(tài)、截割力的分布等因素有關(guān)，可通過力學(xué)分析計(jì)算得出。行走輪在截煤工況下所承受的總載荷F_{total}為上述各項(xiàng)載荷的矢量和，即：F_{total}=F_{c}+F_{l}+F_{s}為了更直觀地說明截煤工況下行走輪載荷的計(jì)算過程，下面以某型號采煤機(jī)為例進(jìn)行具體計(jì)算。假設(shè)該采煤機(jī)的截割深度h=0.8m，煤層的單向抗壓強(qiáng)度\sigma_{c}=30MPa，截割速度v_{c}=3m/s，截割阻力系數(shù)k_{1}=1500，考慮截齒磨損等因素的修正系數(shù)\xi_{1}=1.1，裝煤阻力系數(shù)k_{2}=1.3，單位時間內(nèi)截割下來的煤的質(zhì)量m_{c}=5t，煤與裝載設(shè)備之間的摩擦系數(shù)\mu_{1}=0.4，采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)之間的摩擦系數(shù)\mu_{2}=0.3，采煤機(jī)的自重G=80t，采煤機(jī)作用在刮板輸送機(jī)上的垂直壓力F_{n}=20t（此處的重量單位在計(jì)算時需換算為牛頓，1t=1000kg，1kg=9.8N）。首先計(jì)算截割阻力F_{c}：F_{c}=k_{1}\cdoth\cdot\sigma_{c}\cdotv_{c}\cdot\xi_{1}=1500\times0.8\times30\times10^{6}\times3\times1.1=1.188\times10^{9}N接著計(jì)算裝煤阻力F_{l}：F_{l}=k_{2}\cdotm_{c}\cdotg\cdot\mu_{1}=1.3\times5\times10^{3}\times9.8\times0.4=2.548\times10^{4}N然后計(jì)算刮板輸送機(jī)的摩擦力F_{s}：F_{s}=\mu_{2}\cdot(G+F_{n})=0.3\times(80\times10^{3}\times9.8+20\times10^{3}\times9.8)=2.94\times10^{5}N最后計(jì)算行走輪在截煤工況下所承受的總載荷F_{total}：F_{total}=F_{c}+F_{l}+F_{s}=1.188\times10^{9}+2.548\times10^{4}+2.94\times10^{5}=1.18831948\times10^{9}N通過以上計(jì)算可知，在該截煤工況下，行走輪所承受的總載荷非常大，其中截割阻力是主要的載荷來源，占總載荷的絕大部分。這也說明了在截煤過程中，截割阻力對行走輪的工作性能和可靠性有著最為顯著的影響。同時，裝煤阻力和刮板輸送機(jī)的摩擦力雖然相對較小，但也不容忽視，它們的存在會進(jìn)一步增加行走輪的工作負(fù)荷，加劇行走輪的磨損和疲勞。3.2.2其他工況對行走輪載荷的影響采煤機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，除了截煤工況外，還會經(jīng)歷啟動、制動、轉(zhuǎn)彎等多種不同的工況，這些工況都會對行走輪的載荷產(chǎn)生獨(dú)特的影響。此外，地質(zhì)條件的變化也是影響行走輪載荷的重要因素之一。在啟動工況下，采煤機(jī)需要克服自身的慣性以及與軌道之間的靜摩擦力，才能從靜止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)動。此時，行走輪所承受的啟動載荷F_{start}主要包括慣性力F_{i}和靜摩擦力F_{s0}。慣性力F_{i}的大小與采煤機(jī)的質(zhì)量m和啟動加速度a_{start}有關(guān)，可根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算，即F_{i}=m\cdota_{start}。靜摩擦力F_{s0}則與采煤機(jī)的重量以及行走輪與軌道之間的靜摩擦系數(shù)\mu_{s}有關(guān)，計(jì)算公式為F_{s0}=\mu_{s}\cdotG。一般來說，啟動加速度越大，慣性力就越大；靜摩擦系數(shù)越大，靜摩擦力也越大。在實(shí)際啟動過程中，由于采煤機(jī)的質(zhì)量較大，且啟動瞬間需要克服較大的靜摩擦力，因此行走輪所承受的啟動載荷往往較大，可能會對行走輪的結(jié)構(gòu)和傳動部件造成較大的沖擊。例如，當(dāng)采煤機(jī)的質(zhì)量為100t，啟動加速度為0.5m/s^{2}，靜摩擦系數(shù)為0.4時，慣性力F_{i}=100\times10^{3}\times0.5=5\times10^{4}N，靜摩擦力F_{s0}=0.4\times100\times10^{3}\times9.8=3.92\times10^{5}N，啟動載荷F_{start}=F_{i}+F_{s0}=5\times10^{4}+3.92\times10^{5}=4.42\times10^{5}N。如此大的啟動載荷，如果行走輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足或傳動部件的設(shè)計(jì)不合理，就容易導(dǎo)致行走輪的損壞或傳動系統(tǒng)的故障。制動工況下，采煤機(jī)需要迅速減速直至停止，此時行走輪要承受制動力F_和慣性力F_{i}的共同作用。制動力F_由采煤機(jī)的制動裝置提供，其大小根據(jù)制動要求和采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。慣性力F_{i}同樣與采煤機(jī)的質(zhì)量和制動加速度a_{brake}有關(guān)，方向與采煤機(jī)的運(yùn)動方向相反。在制動過程中，由于制動力和慣性力的作用，行走輪會受到較大的沖擊力，可能導(dǎo)致輪齒的磨損加劇、齒面疲勞裂紋的產(chǎn)生以及軸承的損壞等問題。當(dāng)采煤機(jī)以5m/s的速度運(yùn)行，制動加速度為-1m/s^{2}，質(zhì)量為100t時，慣性力F_{i}=100\times10^{3}\times1=1\times10^{5}N。如果制動力設(shè)置不當(dāng)，過大的制動力會使行走輪瞬間承受巨大的沖擊力，從而對行走輪造成嚴(yán)重的損傷。轉(zhuǎn)彎工況時，采煤機(jī)需要改變行走方向，行走輪不僅要承受與直線行走時相同的重力、摩擦力等載荷，還要承受因轉(zhuǎn)彎而產(chǎn)生的側(cè)向力F_{lateral}。側(cè)向力的大小與采煤機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑R、行走速度v以及質(zhì)量m等因素有關(guān)，可通過公式F_{lateral}=\frac{m\cdotv^{2}}{R}進(jìn)行計(jì)算。轉(zhuǎn)彎半徑越小、行走速度越快，側(cè)向力就越大。在實(shí)際轉(zhuǎn)彎過程中，側(cè)向力會使行走輪與軌道之間的接觸應(yīng)力分布不均勻，導(dǎo)致行走輪的一側(cè)磨損加劇，甚至可能引發(fā)行走輪的脫軌事故。當(dāng)采煤機(jī)的質(zhì)量為100t，行走速度為3m/s，轉(zhuǎn)彎半徑為10m時，側(cè)向力F_{lateral}=\frac{100\times10^{3}\times3^{2}}{10}=9\times10^{4}N。這樣大小的側(cè)向力會對行走輪的工作穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生明顯的影響，需要在設(shè)計(jì)和使用過程中加以重視。地質(zhì)條件的變化，如煤層的起伏、斷層、硬度變化等，也會對行走輪載荷產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)采煤機(jī)遇到煤層起伏時，行走輪的高度會發(fā)生變化，導(dǎo)致其受力不均，產(chǎn)生額外的載荷。在爬坡過程中，行走輪需要克服重力沿坡面的分力，使載荷增大；而下坡時，行走輪則會受到重力沿坡面的分力的推動，載荷情況相對復(fù)雜。遇到斷層時，采煤機(jī)可能會受到突然的沖擊載荷，對行走輪造成極大的損害。煤層硬度的變化會導(dǎo)致截割阻力的改變，進(jìn)而影響行走輪的載荷。在硬度較大的煤層區(qū)域，截割阻力增大，行走輪需要承受更大的驅(qū)動力和摩擦力，磨損加??；而在硬度較小的煤層區(qū)域，雖然截割阻力減小，但采煤機(jī)的運(yùn)行速度可能會加快，也會對行走輪的工作產(chǎn)生一定的影響。某采煤工作面存在一段煤層起伏較大的區(qū)域，坡度達(dá)到15^{\circ}，采煤機(jī)在該區(qū)域運(yùn)行時，行走輪需要額外承受重力沿坡面的分力，根據(jù)三角函數(shù)計(jì)算，該分力大小為G\cdot\sin15^{\circ}=100\times10^{3}\times9.8\times\sin15^{\circ}\approx2.54\times10^{5}N，這使得行走輪的載荷大幅增加，對其結(jié)構(gòu)和性能提出了更高的要求。綜上所述，啟動、制動、轉(zhuǎn)彎等工況以及地質(zhì)條件的變化都會對采煤機(jī)行走輪的載荷產(chǎn)生重要影響。在采煤機(jī)的設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)過程中，必須充分考慮這些因素，合理設(shè)計(jì)行走輪的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，采取有效的措施來減小載荷的波動和沖擊，以提高行走輪的可靠性和使用壽命，確保采煤機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。3.3考慮磨損的行走輪動力學(xué)特性分析3.3.1磨損對行走輪運(yùn)動學(xué)參數(shù)的影響采煤機(jī)行走輪在長期運(yùn)行過程中，由于受到復(fù)雜的載荷和惡劣的工作環(huán)境影響，不可避免地會發(fā)生磨損。磨損會導(dǎo)致行走輪的尺寸發(fā)生變化，其中輪齒磨損是最為顯著的特征之一。輪齒磨損會使輪齒的厚度減小，齒頂變尖，齒根圓角增大，從而改變行走輪與銷排的嚙合關(guān)系，對行走輪的運(yùn)動學(xué)參數(shù)產(chǎn)生重要影響。從轉(zhuǎn)速方面來看，磨損會導(dǎo)致行走輪的轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生變化。根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算公式J=\sum_{i=1}^{n}m_{i}r_{i}^{2}（其中m_{i}為質(zhì)量微元，r_{i}為質(zhì)量微元到轉(zhuǎn)軸的距離），當(dāng)輪齒磨損后，輪齒部分的質(zhì)量減小，離轉(zhuǎn)軸較遠(yuǎn)的質(zhì)量分布發(fā)生改變，使得行走輪的轉(zhuǎn)動慣量減小。在采煤機(jī)牽引部提供的驅(qū)動力矩不變的情況下，根據(jù)轉(zhuǎn)動定律M=J\alpha（其中M為驅(qū)動力矩，J為轉(zhuǎn)動慣量，\alpha為角加速度），轉(zhuǎn)動慣量的減小會導(dǎo)致行走輪的角加速度增大。在啟動階段，行走輪的轉(zhuǎn)速上升會更快；而在穩(wěn)定運(yùn)行階段，由于采煤機(jī)的牽引速度是由行走輪的轉(zhuǎn)速和直徑共同決定的，當(dāng)輪齒磨損導(dǎo)致直徑減小，在相同的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速下，行走輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速會相對增加，以維持采煤機(jī)的前進(jìn)速度。例如，某型號采煤機(jī)行走輪初始直徑為D_{0}，正常運(yùn)行時電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為n_{0}，行走輪轉(zhuǎn)速為n_{1}，當(dāng)行走輪磨損后直徑減小為D_{1}，為保持采煤機(jī)前進(jìn)速度不變，根據(jù)v=\frac{\piD_{0}n_{1}}{60}=\frac{\piD_{1}n_{2}}{60}（v為采煤機(jī)前進(jìn)速度），可計(jì)算出磨損后的行走輪轉(zhuǎn)速n_{2}=\frac{D_{0}}{D_{1}}n_{1}，由于D_{0}>D_{1}，所以n_{2}>n_{1}，即行走輪轉(zhuǎn)速會增加。線速度作為衡量行走輪運(yùn)動快慢的重要參數(shù)，與轉(zhuǎn)速和直徑密切相關(guān)。前面已經(jīng)分析了磨損會導(dǎo)致行走輪轉(zhuǎn)速增加和直徑減小，這兩個因素對行走輪線速度的影響方向相反。線速度的計(jì)算公式為v=\omegar（其中\(zhòng)omega為角速度，r為半徑），當(dāng)輪齒磨損時，半徑r減小，角速度\omega增加。如果角速度增加的幅度大于半徑減小的幅度，線速度會增大；反之，線速度會減小。在實(shí)際情況中，由于輪齒磨損是一個逐漸的過程，半徑的減小相對較為緩慢，而在采煤機(jī)牽引系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用下，角速度的增加可能會在一定程度上彌補(bǔ)半徑減小對線速度的影響，使得線速度在磨損初期變化不明顯。但隨著磨損的加劇，半徑減小到一定程度后，即使角速度有所增加，線速度仍可能逐漸降低。例如，當(dāng)輪齒磨損使得半徑減小10\%，而角速度由于牽引系統(tǒng)的調(diào)節(jié)增加了8\%，根據(jù)線速度公式計(jì)算可得，線速度會降低約2.8\%。這表明在磨損后期，線速度會受到顯著影響，進(jìn)而影響采煤機(jī)的工作效率和截煤質(zhì)量。位移是描述行走輪位置變化的物理量，磨損對行走輪位移的影響主要體現(xiàn)在采煤機(jī)的行走精度和穩(wěn)定性方面。由于輪齒磨損導(dǎo)致行走輪與銷排的嚙合精度下降，在行走過程中，行走輪可能會出現(xiàn)跳動、打滑等現(xiàn)象，使得采煤機(jī)的實(shí)際位移與理論位移產(chǎn)生偏差。在直線行走時，這種偏差可能表現(xiàn)為采煤機(jī)行走軌跡的偏移；在轉(zhuǎn)彎時，偏差會更加明顯，可能導(dǎo)致采煤機(jī)無法準(zhǔn)確按照預(yù)定的轉(zhuǎn)彎半徑行駛，影響采煤機(jī)在工作面的作業(yè)效果。當(dāng)行走輪磨損嚴(yán)重時，輪齒與銷排之間的間隙增大，在受到?jīng)_擊載荷時，行走輪容易發(fā)生瞬間的位移突變，進(jìn)一步降低采煤機(jī)的行走穩(wěn)定性。例如，在采煤機(jī)進(jìn)行斜切進(jìn)刀作業(yè)時，要求行走輪能夠精確地按照預(yù)定的軌跡移動，以實(shí)現(xiàn)高效的截煤。但如果行走輪存在磨損，其位移偏差可能會導(dǎo)致截煤厚度不均勻，影響煤炭的開采質(zhì)量，同時也會增加采煤機(jī)其他部件的磨損和損壞風(fēng)險。3.3.2磨損對行走輪動力學(xué)響應(yīng)的影響采煤機(jī)行走輪的磨損不僅會改變其運(yùn)動學(xué)參數(shù)，還會對其動力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響，其中應(yīng)力和應(yīng)變分布的變化以及對采煤機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響尤為關(guān)鍵。當(dāng)行走輪發(fā)生磨損后，其應(yīng)力分布會發(fā)生明顯改變。在正常工作狀態(tài)下，行走輪的輪齒在與銷排嚙合時，應(yīng)力主要集中在齒根和齒面接觸區(qū)域。齒根承受著較大的彎曲應(yīng)力，這是由于輪齒在傳遞動力時，齒根相當(dāng)于一個懸臂梁，受到來自銷排的切向力和法向力的作用，產(chǎn)生彎曲變形，從而在齒根處產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。齒面接觸區(qū)域則承受著接觸應(yīng)力，這是由于輪齒與銷排齒面相互擠壓而產(chǎn)生的。然而，隨著磨損的發(fā)生，輪齒的形狀和尺寸發(fā)生變化，應(yīng)力分布也隨之改變。輪齒磨損導(dǎo)致齒厚減小，齒根的抗彎截面系數(shù)減小，根據(jù)彎曲應(yīng)力公式\sigma=\frac{M}{W}（其中\(zhòng)sigma為彎曲應(yīng)力，M為彎矩，W為抗彎截面系數(shù)），在彎矩不變的情況下，抗彎截面系數(shù)的減小會使齒根的彎曲應(yīng)力顯著增大。磨損還會使齒面接觸狀態(tài)惡化，接觸應(yīng)力分布更加不均勻，局部區(qū)域的接觸應(yīng)力可能會急劇增加。在齒面磨損不均勻的情況下，磨損嚴(yán)重的部位接觸面積減小，根據(jù)接觸應(yīng)力公式\sigma_{H}=\sqrt{\frac{F_{N}}{\pib\rho}}（其中\(zhòng)sigma_{H}為接觸應(yīng)力，F(xiàn)_{N}為法向載荷，b為接觸寬度，\rho為綜合曲率半徑），接觸面積的減小相當(dāng)于接觸寬度b減小，在法向載荷不變的情況下，接觸應(yīng)力會增大。這種應(yīng)力分布的變化會加速輪齒的疲勞損壞，使輪齒更容易出現(xiàn)裂紋和斷裂。例如，通過有限元分析軟件對磨損前后的行走輪進(jìn)行模擬分析，結(jié)果顯示，磨損后齒根的最大彎曲應(yīng)力比磨損前增加了30\%，齒面局部區(qū)域的最大接觸應(yīng)力增加了50\%，這表明磨損對行走輪的應(yīng)力分布產(chǎn)生了極大的影響，嚴(yán)重威脅到行走輪的安全運(yùn)行。應(yīng)變是材料在受力時發(fā)生的形變程度，與應(yīng)力密切相關(guān)。當(dāng)行走輪磨損后，由于應(yīng)力分布的改變，其應(yīng)變分布也會相應(yīng)變化。在齒根部位，由于彎曲應(yīng)力的增大，齒根的彎曲應(yīng)變也會增大，這表現(xiàn)為齒根處的變形加劇。在齒面接觸區(qū)域，由于接觸應(yīng)力的增加和分布不均勻，齒面的接觸應(yīng)變也會增大，可能導(dǎo)致齒面出現(xiàn)塑性變形。隨著磨損的持續(xù)發(fā)展，齒根和齒面的應(yīng)變不斷積累，當(dāng)應(yīng)變超過材料的屈服極限時，材料會發(fā)生塑性變形，進(jìn)一步改變行走輪的形狀和尺寸，形成惡性循環(huán)，加速行走輪的失效。例如，在實(shí)際采煤過程中，當(dāng)行走輪磨損到一定程度后，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)齒根處出現(xiàn)明顯的彎曲變形，齒面出現(xiàn)局部的凹陷和凸起，這都是應(yīng)變過大導(dǎo)致塑性變形的表現(xiàn)。這些塑性變形不僅會影響行走輪的動力學(xué)性能，還會降低其承載能力和疲勞壽命。行走輪的磨損對采煤機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性也有著重要影響。如前所述，磨損會導(dǎo)致行走輪與銷排的嚙合精度下降，在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)沖擊和振動。當(dāng)行走輪的輪齒與銷排齒進(jìn)入和脫離嚙合時，由于磨損造成的齒形誤差和間隙變化，會產(chǎn)生沖擊載荷，引起采煤機(jī)的振動。這種振動不僅會影響采煤機(jī)的工作效率和截煤質(zhì)量，還會對采煤機(jī)的其他部件產(chǎn)生不利影響，如加劇搖臂、截割滾筒等部件的磨損，降低電氣系統(tǒng)的可靠性。磨損還可能導(dǎo)致行走輪的打滑現(xiàn)象，使得采煤機(jī)的行走速度不穩(wěn)定，影響采煤機(jī)的正常作業(yè)。在采煤機(jī)爬坡或遇到較大阻力時，磨損嚴(yán)重的行走輪更容易出現(xiàn)打滑，導(dǎo)致采煤機(jī)無法正常前進(jìn)，甚至發(fā)生下滑事故。例如，某煤礦在采煤過程中，由于行走輪磨損嚴(yán)重，在一次爬坡作業(yè)時，行走輪突然打滑，采煤機(jī)下滑了數(shù)米，造成了設(shè)備損壞和生產(chǎn)中斷，嚴(yán)重影響了煤礦的安全生產(chǎn)。3.3.3基于動力學(xué)分析的磨損規(guī)律研究通過動力學(xué)仿真分析不同工況下采煤機(jī)行走輪的磨損情況，能夠深入了解磨損的部位、程度及發(fā)展規(guī)律，為行走輪的設(shè)計(jì)改進(jìn)和維護(hù)提供重要依據(jù)。在不同的采煤工況下，行走輪的磨損部位存在明顯差異。在截煤工況下，由于截割阻力、裝煤阻力以及刮板輸送機(jī)的摩擦力等多種載荷的作用，行走輪的輪齒承受著復(fù)雜的力系。此時，輪齒的齒面和齒根是主要的磨損部位。齒面與銷排齒頻繁接觸，在相對運(yùn)動過程中，受到摩擦力和接觸應(yīng)力的作用，容易發(fā)生磨粒磨損和粘著磨損。煤塵、巖屑等硬質(zhì)顆粒進(jìn)入齒面接觸區(qū)域，會像磨粒一樣對齒面進(jìn)行切削和刮擦，導(dǎo)致齒面材料逐漸磨損。在高壓、高溫和潤滑不良的條件下，齒面金屬分子會相互吸附和粘著，在相對運(yùn)動時發(fā)生剪切和撕裂，使齒面材料轉(zhuǎn)移和脫落，形成粘著磨損。齒根部位由于承受較大的彎曲應(yīng)力，在交變載荷的作用下，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展，會導(dǎo)致齒根材料剝落，形成疲勞磨損。在啟動工況下，行走輪需要克服較大的靜摩擦力和慣性力，此時輪齒的根部和齒頂會受到較大的沖擊載荷，容易在這些部位產(chǎn)生磨損。齒根在啟動瞬間受到的彎曲應(yīng)力和沖擊力的共同作用下，疲勞磨損加??；齒頂則由于與銷排齒的初始接觸沖擊，容易出現(xiàn)磨損和塑性變形。在轉(zhuǎn)彎工況下，行走輪除了承受正常的載荷外，還會受到側(cè)向力的作用，導(dǎo)致輪齒的一側(cè)磨損加劇。外側(cè)輪齒在側(cè)向力的作用下，與銷排齒的接觸壓力增大，磨損速度加快，而內(nèi)側(cè)輪齒的磨損相對較輕。磨損程度在不同工況下也有所不同。一般來說，截煤工況下行走輪的磨損程度較為嚴(yán)重，這是因?yàn)榻孛哼^程中行走輪承受的載荷最大，且載荷的變化頻繁。在大傾角煤層截煤時，采煤機(jī)的牽引阻力大幅增加，行走輪需要承受更大的驅(qū)動力和摩擦力，磨損速度明顯加快。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)和仿真分析結(jié)果，在大傾角截煤工況下，行走輪齒面的磨損量在一個采煤周期內(nèi)可比普通截煤工況增加30\%-50\%，齒根的疲勞裂紋擴(kuò)展速度也會加快。啟動和制動工況雖然持續(xù)時間相對較短，但由于瞬間的沖擊力較大，也會對行走輪造成一定程度的磨損。在頻繁啟動和制動的情況下，行走輪的磨損程度會逐漸累積，對其使用壽命產(chǎn)生較大影響。轉(zhuǎn)彎工況下，由于側(cè)向力的作用，行走輪輪齒的單側(cè)磨損較為明顯，隨著轉(zhuǎn)彎次數(shù)的增加，磨損程度也會逐漸加重。在頻繁轉(zhuǎn)彎的采煤工作面，行走輪外側(cè)輪齒的磨損量可能會比內(nèi)側(cè)輪齒高出50\%-80\%。通過對不同工況下行走輪磨損情況的長期監(jiān)測和動力學(xué)仿真分析，可以總結(jié)出磨損的發(fā)展規(guī)律。行走輪的磨損過程通?？梢苑譃槿齻€階段：初期磨損階段、穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段。在初期磨損階段，由于行走輪與銷排的表面粗糙度較大，接觸面積較小，在相對運(yùn)動過程中，表面的微凸體首先接觸并發(fā)生磨損，磨損速度較快，但磨損量相對較小。隨著磨損的進(jìn)行，表面逐漸被磨平，接觸面積增大，磨損進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。在穩(wěn)定磨損階段，磨損速度相對穩(wěn)定，磨損量隨時間近似呈線性增加，這是行走輪的正常工作階段。當(dāng)磨損達(dá)到一定程度后，行走輪的尺寸和形狀發(fā)生較大變化，與銷排的嚙合精度下降，沖擊和振動加劇，磨損進(jìn)入劇烈磨損階段。在劇烈磨損階段，磨損速度急劇增加，行走輪的性能迅速下降，很快就會失效。不同工況下，行走輪從初期磨損階段到劇烈磨損階段的時間不同。在截煤工況下，由于載荷較大，磨損發(fā)展速度較快，從初期磨損階段到劇烈磨損階段的時間相對較短；而在一些輕載工況下，磨損發(fā)展速度較慢，行走輪可以在穩(wěn)定磨損階段工作較長時間。例如，在正常截煤工況下，行走輪可能在工作1000小時后就進(jìn)入劇烈磨損階段，而在輕載運(yùn)輸工況下，行走輪可以工作3000小時以上才進(jìn)入劇烈磨損階段。通過對不同工況下采煤機(jī)行走輪磨損規(guī)律的研究，可以為行走輪的維護(hù)和更換提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)磨損發(fā)展規(guī)律，合理制定維護(hù)計(jì)劃，在行走輪進(jìn)入劇烈磨損階段之前及時進(jìn)行維護(hù)或更換，能夠有效避免因行走輪失效而導(dǎo)致的采煤機(jī)故障，提高采煤機(jī)的可靠性和生產(chǎn)效率。還可以根據(jù)磨損部位和程度的分析結(jié)果，有針對性地對行走輪進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，如優(yōu)化齒形、提高齒面硬度、改善潤滑條件等，以提高行走輪的耐磨性能，延長其使用壽命。四、采煤機(jī)行走輪磨損機(jī)理與影響因素分析4.1行走輪磨損機(jī)理研究4.1.1磨粒磨損磨粒磨損是采煤機(jī)行走輪磨損的常見形式之一，在采煤機(jī)工作過程中廣泛存在。其原理基于機(jī)械摩擦理論，當(dāng)硬顆粒（磨粒）介入到行走輪與銷排的相對運(yùn)動表面之間時，會對接觸表面的材料產(chǎn)生切削、犁溝和刮擦等作用，從而導(dǎo)致材料逐漸從表面脫落，造成磨損。這些硬顆粒的來源較為復(fù)雜，主要包括煤炭開采過程中產(chǎn)生的煤塵和巖屑，它們是采煤機(jī)截割煤層時破碎產(chǎn)生的細(xì)小顆粒，在采煤工作面的惡劣環(huán)境中四處飛揚(yáng)，很容易進(jìn)入行走輪與銷排的嚙合區(qū)域；采煤機(jī)自身機(jī)械部件的磨損碎屑，如齒輪、軸承等部件在長期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的微小金屬顆粒，也可能成為磨粒的一部分；此外，外界環(huán)境中的雜質(zhì)，如空氣中的灰塵、井下的泥沙等，也可能混入到行走輪的工作區(qū)域，加劇磨粒磨損的程度。在采煤機(jī)工作時，磨粒對行走輪的磨損過程是一個動態(tài)的、持續(xù)的過程。當(dāng)行走輪與銷排相互嚙合并作相對運(yùn)動時，磨粒會隨著相對運(yùn)動被帶入到輪齒與銷齒的接觸表面之間。由于磨粒的硬度通常較高，在接觸表面的壓力和相對運(yùn)動的摩擦力作用下，磨粒會像微小的刀具一樣對輪齒表面進(jìn)行切削。磨粒會在輪齒表面劃出細(xì)小的溝槽，隨著磨損的持續(xù)進(jìn)行，這些溝槽逐漸加深和加寬，導(dǎo)致輪齒表面的材料不斷被切削掉。磨粒還會對輪齒表面產(chǎn)生犁溝作用，當(dāng)磨粒在輪齒表面滾動或滑動時，會將輪齒表面的材料向兩側(cè)擠壓，形成犁溝狀的變形痕跡。隨著磨粒的反復(fù)作用，這些犁溝處的材料逐漸疲勞，最終脫落形成磨屑。磨粒的刮擦作用也不容忽視，磨粒在輪齒表面的高速刮擦?xí)馆嘄X表面的材料發(fā)生塑性變形，進(jìn)一步加速材料的磨損。磨粒磨損對行走輪的性能和壽命有著顯著的影響。磨粒磨損會導(dǎo)致行走輪輪齒的表面粗糙度增加，使輪齒與銷排之間的接觸狀態(tài)惡化，接觸應(yīng)力分布更加不均勻。這不僅會降低行走輪的傳動效率，增加能量損耗，還會加劇輪齒的磨損和疲勞，縮短行走輪的使用壽命。磨粒磨損還可能引發(fā)其他形式的磨損，如粘著磨損和疲勞磨損。由于輪齒表面的損傷，在高壓和高溫條件下，輪齒與銷排之間更容易發(fā)生粘著現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致粘著磨損的發(fā)生；而磨粒磨損造成的表面損傷和應(yīng)力集中，也會加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，引發(fā)疲勞磨損。4.1.2粘著磨損粘著磨損的產(chǎn)生主要源于金屬表面的微觀特性和相對運(yùn)動時的接觸狀態(tài)。在微觀層面，即使經(jīng)過精密加工的金屬表面，實(shí)際上也是高低不平的，存在許多微小的凸起和凹陷。當(dāng)采煤機(jī)行走輪的輪齒與銷排相互接觸并承受載荷時，由于實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于名義接觸面積，在接觸點(diǎn)處會產(chǎn)生極高的局部壓力。當(dāng)局部壓力超過材料的屈服強(qiáng)度時，接觸點(diǎn)處的金屬會發(fā)生塑性變形，使得表面的氧化膜、潤滑膜等被破壞，從而導(dǎo)致兩個金屬表面直接接觸。在原子間的引力作用下，接觸點(diǎn)處的金屬原子會發(fā)生相互擴(kuò)散和鍵合，形成粘著點(diǎn)，即發(fā)生冷焊現(xiàn)象。隨著行走輪與銷排的相對運(yùn)動，粘著點(diǎn)會受到剪切力的作用。當(dāng)剪切力超過粘著點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度時，粘著點(diǎn)會被剪斷，一部分金屬會從一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面，形成材料的遷移。在隨后的繼續(xù)運(yùn)動中，這些轉(zhuǎn)移的金屬顆?？赡軙俅握持谄渌恢?，或者脫落形成磨屑，從而造成材料的損失，這就是粘著磨損的基本過程。在采煤機(jī)的工作環(huán)境中，存在多種因素會加劇粘著磨損的程度。采煤機(jī)在截煤過程中，行走輪需要承受較大的載荷，這會增加輪齒與銷排之間的接觸壓力，使粘著點(diǎn)更容易形成且結(jié)合強(qiáng)度更高，從而加劇粘著磨損。采煤機(jī)工作時，行走輪與銷排的相對運(yùn)動速度較高，會產(chǎn)生大量的摩擦熱，導(dǎo)致接觸表面的溫度升高。溫度升高會使金屬材料的硬度和強(qiáng)度降低，增加金屬原子的活性，從而促進(jìn)粘著點(diǎn)的形成和材料的遷移，加速粘著磨損的進(jìn)程。采煤機(jī)工作環(huán)境中的潤滑條件也對粘著磨損有著重要影響。如果潤滑不良，無法在輪齒與銷排之間形成有效的潤滑膜，就不能有效地降低接觸表面的摩擦系數(shù)和隔離金屬表面的直接接觸，使得粘著磨損更容易發(fā)生。粘著磨損會對采煤機(jī)行走輪的性能產(chǎn)生多方面的不利影響。粘著磨損會導(dǎo)致輪齒表面出現(xiàn)劃痕和擦傷，使輪齒的表面質(zhì)量下降，這不僅會影響行走輪的傳動精度和穩(wěn)定性，還會增加運(yùn)行過程中的振動和噪聲。粘著磨損造成的材料遷移和脫落會改變輪齒的形狀和尺寸，導(dǎo)致輪齒與銷排的嚙合精度降低，傳動效率下降，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)行走輪的打滑現(xiàn)象，影響采煤機(jī)的正常行走。隨著粘著磨損的不斷發(fā)展，輪齒的承載能力會逐漸降低，在承受較大載荷時，容易出現(xiàn)輪齒的斷裂等嚴(yán)重失效形式，從而縮短行走輪的使用壽命，增加設(shè)備的維修成本和停機(jī)時間。4.1.3疲勞磨損采煤機(jī)行走輪在工作過程中，輪齒會受到來自銷排的周期性交變載荷作用。這些交變載荷主要包括由于采煤機(jī)自身重量、截煤阻力、裝煤阻力以及刮板輸送機(jī)的摩擦力等因素引起的切向力、法向力和彎矩等。在這些交變載荷的作用下，輪齒表面和內(nèi)部會產(chǎn)生交變的應(yīng)力和應(yīng)變。當(dāng)交變應(yīng)力超過材料的疲勞極限時，輪齒表面的微小缺陷處（如加工痕跡、夾雜、氣孔等）或晶界處會逐漸萌生微觀裂紋。這些微觀裂紋通常在輪齒的齒根和齒面接觸區(qū)域最為容易產(chǎn)生，因?yàn)辇X根部位承受著較大的彎曲應(yīng)力，而齒面接觸區(qū)域則承受著較大的接觸應(yīng)力。隨著采煤機(jī)的持續(xù)運(yùn)行，行走輪不斷地受到交變載荷的作用，微觀裂紋會逐漸擴(kuò)展。在擴(kuò)展過程中，裂紋會沿著材料的薄弱區(qū)域（如晶界、滑移帶等）向輪齒內(nèi)部或表面延伸。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時，在交變載荷的作用下，裂紋尖端會產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋加速擴(kuò)展。相鄰的微觀裂紋可能會相互連接，形成更大的裂紋。最終，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到輪齒表面時，會導(dǎo)致表面材料的剝落，形成疲勞磨損坑。這些疲勞磨損坑的出現(xiàn)會進(jìn)一步改變輪齒的應(yīng)力分布，加速輪齒的疲勞損傷。隨著疲勞磨損的不斷發(fā)展，輪齒的承載能力逐漸下降，當(dāng)無法承受工作載荷時，輪齒就會發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致行走輪失效。疲勞磨損的發(fā)展過程與交變載荷的特性密切相關(guān)。交變載荷的幅值越大，頻率越高，輪齒所承受的應(yīng)力和應(yīng)變就越大，疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展速度也就越快，疲勞磨損的發(fā)展也就越迅速。采煤機(jī)的工作工況復(fù)雜多變，在不同的截煤深度、煤層硬度和牽引速度等條件下，行走輪所承受的交變載荷也會發(fā)生變化，這會對疲勞磨損的發(fā)展過程產(chǎn)生重要影響。在大截煤深度和硬煤層條件下，采煤機(jī)的截煤阻力增大，行走輪所承受的交變載荷幅值也會相應(yīng)增大，從而加速疲勞磨損的進(jìn)程。4.2影響行走輪磨損的因素4.2.1材料性能對磨損的影響材料的硬度、強(qiáng)度、韌性和耐磨性等性能對采煤機(jī)行走輪的磨損有著至關(guān)重要的影響。材料的硬度是衡量其抵抗局部塑性變形的能力，一般來說，硬度越高，材料的耐磨性越好。在采煤機(jī)行走輪的工作過程中，輪齒與銷排頻繁接觸并承受較大的壓力和摩擦力，較高硬度的材料能夠有效抵抗磨粒的切削和刮擦，減少磨粒磨損的發(fā)生。對于硬度較高的行走輪材料，煤塵、巖屑等磨粒在接觸輪齒表面時，難以切入材料內(nèi)部，從而降低了磨損速率。根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)行走輪材料的硬度從HB200提高到HB300時，其磨粒磨損速率可降低約30%-40%。然而，硬度并非越高越好，過高的硬度可能會導(dǎo)致材料的韌性下降，使行走輪在承受沖擊載荷時容易發(fā)生脆性斷裂。因此，在選擇行走輪材料時，需要綜合考慮硬度和韌性的平衡，以確保行走輪既能具備良好的耐磨性，又能在復(fù)雜的工作環(huán)境中保持足夠的抗沖擊能力。材料的強(qiáng)度直接關(guān)系到行走輪的承載能力和抗疲勞性能。高強(qiáng)度的材料能夠承受更大的載荷，減少因過載而導(dǎo)致的輪齒變形和斷裂風(fēng)險。在采煤機(jī)截煤過程中，行走輪會受到截割阻力、裝煤阻力以及刮板輸送機(jī)的摩擦力等多種載荷的作用，這些載荷的大小和方向不斷變化，對行走輪產(chǎn)生交變應(yīng)力。如果材料的強(qiáng)度不足，在長期的交變應(yīng)力作用下，輪齒容易產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致疲勞磨損和斷裂。選用高強(qiáng)度的合金鋼材料制造行走輪，可以有效提高其抗疲勞性能，延長使用壽命。例如，采用42CrMo合金鋼代替普通碳鋼制造行走輪，其疲勞壽命可提高2-3倍。材料的強(qiáng)度還會影響粘著磨損的發(fā)生。高強(qiáng)度的材料在接觸表面發(fā)生塑性變形時，能夠更好地保持表面的完整性，減少粘著點(diǎn)的形成和材料的遷移，從而降低粘著磨損的程度。韌性是材料在斷裂前吸收能量和發(fā)生塑性變形的能力，對于采煤機(jī)行走輪在沖擊載荷作用下的性能具有重要影響。在采煤過程中，行走輪可能會遇到突然的沖擊，如采煤機(jī)遇到堅(jiān)硬的煤巖或其他障礙物時，會對行走輪產(chǎn)生瞬間的巨大沖擊力。具有良好韌性的材料能夠通過塑性變形來吸收沖擊能量，避免輪齒發(fā)生脆性斷裂。即使輪齒表面出現(xiàn)微小裂紋，韌性好的材料也能夠阻止裂紋的快速擴(kuò)展，從而提高行走輪的可靠性。相比之下，韌性較差的材料在受到?jīng)_擊時，裂紋容易迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致輪齒的突然斷裂。實(shí)驗(yàn)表明，在相同的沖擊載荷條件下，韌性好的行走輪材料的裂紋擴(kuò)展速率比韌性差的材料低50%以上。在一些容易發(fā)生沖擊的工況下，如大傾角煤層開采或采煤機(jī)頻繁啟動和制動時，選擇韌性好的材料對于保證行走輪的正常工作尤為重要。耐磨性是材料抵抗磨損的綜合性能，它與材料的硬度、強(qiáng)度、韌性以及組織結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。具有良好耐磨性的材料能夠在長期的摩擦過程中保持表面的完整性，減少材料的損失。除了硬度、強(qiáng)度和韌性外，材料的組織結(jié)構(gòu)對耐磨性也有顯著影響。均勻細(xì)小的晶粒組織可以提高材料的強(qiáng)度和韌性，同時減少應(yīng)力集中，從而提高材料的耐磨性。一些含有特殊合金元素或強(qiáng)化相的材料，如含有碳化鎢、碳化鈦等硬質(zhì)相的復(fù)合材料，能夠顯著提高材料的耐磨性。這些硬質(zhì)相在材料中起到增強(qiáng)作用，能夠有效抵抗磨粒的磨損，提高行走輪的耐磨性能。采用表面涂層技術(shù)，在行走輪表面涂覆一層耐磨涂層，如氮化鈦涂層、碳化鉻涂層等，也可以大幅提高行走輪的耐磨性。這些涂層具有高硬度、低摩擦系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，能夠有效減少行走輪與銷排之間的摩擦和磨損。4.2.2制造工藝與加工精度的影響制造工藝和加工精度對采煤機(jī)行走輪的耐磨性有著重要的影響，其中鑄造、鍛造、熱處理以及加工精度等環(huán)節(jié)都在不同方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。鑄造作為一種常用的制造工藝，其質(zhì)量直接影響行走輪的性能。在鑄造過程中，如果工藝控制不當(dāng)，可能會導(dǎo)致行走輪內(nèi)部出現(xiàn)氣孔、砂眼、縮孔等缺陷。這些缺陷會降低行走輪的強(qiáng)度和密度，使材料的組織結(jié)構(gòu)不均勻，從而在受力時容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加速磨損和疲勞裂紋的萌生。氣孔的存在會減小材料的有效承載面積，使得行走輪在承受載荷時，局部應(yīng)力過高，容易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展；砂眼則會破壞材料的連續(xù)性，降低材料的強(qiáng)度，導(dǎo)致磨損加劇。為了提高鑄造質(zhì)量，需要優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)，如控制澆注溫度、速度和壓力等，采用先進(jìn)的鑄造技術(shù)，如消失模鑄造、熔模鑄造等，以減少鑄造缺陷的產(chǎn)生。消失模鑄造可以避免傳統(tǒng)砂型鑄造中砂芯與鑄件之間的間隙問題，提高鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量，減少內(nèi)部缺陷，從而提高行走輪的耐磨性和可靠性。鍛造工藝能夠改善材料的組織結(jié)構(gòu)，提高材料的性能。通過鍛造，可以使金屬材料的晶粒細(xì)化，消除內(nèi)部的疏松和偏析等缺陷，提高材料的強(qiáng)度、韌性和耐磨性。在鍛造過程中，金屬材料經(jīng)過反復(fù)的塑性變形，晶粒被拉長并重新排列，形成更加致密和均勻的組織結(jié)構(gòu)。這種組織結(jié)構(gòu)能夠更好地承受載荷，減少應(yīng)力集中，從而降低磨損的風(fēng)險。鍛造還可以提高材料的致密度，使材料的內(nèi)部缺陷得到修復(fù)，進(jìn)一步提高材料的性能。與鑄造相比，鍛造后的行走輪材料強(qiáng)度可提高10%-20%，韌性提高20%-30%，耐磨性也有顯著提升。采用鍛造工藝制造行走輪時，需要合理選擇鍛造比和鍛造溫度，確保鍛造過程的質(zhì)量控制，以充分發(fā)揮鍛造工藝對材料性能的改善作用。熱處理是提高行走輪材料性能的重要手段，它包括淬火、回火、滲碳、氮化等多種工藝。淬火可以提高材料的硬度和強(qiáng)度，通過將材料加熱到臨界溫度以上，然后迅速冷卻，使材料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成馬氏體等高強(qiáng)度相?；鼗饎t是在淬火后對材料進(jìn)行加熱處理，以消除淬火應(yīng)力，提高材料的韌性，調(diào)整硬度和強(qiáng)度之間的平衡。滲碳和氮化工藝可以在行走輪表面形成一層高硬度的滲層，提高表面的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。滲碳是將低碳鋼在富碳的介質(zhì)中加熱到高溫，使碳原子滲入鋼的表面，形成高碳的滲碳層，然后經(jīng)過淬火和回火處理，使表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持良好的韌性；氮化則是使氮原子滲入材料表面，形成氮化物層，提高表面的硬度、耐磨性和抗腐蝕性。通過合理的熱處理工藝，行走輪材料的硬度可以提高50%-100%，疲勞強(qiáng)度提高30%-50%，從而顯著提高行走輪的耐磨性能。加工精度對行走輪的耐磨性也有著不可忽視的影響。行走輪的加工精度包括尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度等方面。尺寸精度直接影響行走輪與銷排的嚙合精度，如果尺寸偏差過大，會導(dǎo)致輪齒與銷齒之間的接觸不良，出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，加速磨損。形狀精度不佳，如輪齒的齒形誤差過大，會使輪齒在嚙合過程中受力不均勻，導(dǎo)致部分齒面磨損加劇。表面粗糙度影響行走輪與銷排之間的摩擦系數(shù)和接觸狀態(tài)，表面粗糙度越大，摩擦系數(shù)越高，磨損越快。粗糙的表面容易產(chǎn)生微凸體，在相對運(yùn)動過程中，這些微凸體容易發(fā)生塑性變形和粘著，從而引發(fā)粘著磨損和磨粒磨損。為了提高行走輪的加工精度，需要采用先進(jìn)的加工設(shè)備和工藝，如數(shù)控加工、精密磨削等，嚴(yán)格控制加工過程中的各項(xiàng)參數(shù)，確保行走輪的尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度符合設(shè)計(jì)要求。通過提高加工精度，可以使行走輪與銷排的嚙合更加均勻，降低接觸應(yīng)力，減少磨損，提高行走輪的使用壽命。4.2.3工作載荷與工況條件的影響工作載荷和工況條件是影響采煤機(jī)行走輪磨損的重要因素，其中載荷大小、方向、波動以及工作環(huán)境等方面都對行走輪的磨損有著顯著的影響。載荷大小是影響行走輪磨損的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)行走輪承受的載荷增大時，輪齒與銷排之間的接觸壓力也隨之增大。根據(jù)赫茲接觸理論，接觸壓力的增大將導(dǎo)致接觸應(yīng)力增加，從而使輪齒表面的塑性變形加劇，磨損速率加快。在大截煤深度或硬煤層開采時，采煤機(jī)的截煤阻力增大，行走輪需要承受更大的驅(qū)動力和摩擦力，此時行走輪的磨損明顯加劇。實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)行走輪承受的載荷增加50%時，其磨損速率可提高2-3倍。長期的高載荷作用還會使輪齒產(chǎn)生疲勞裂紋，加速疲勞磨損的進(jìn)程，降低行走輪的使用壽命。載荷方向的變化會導(dǎo)致行走輪受力狀態(tài)的改變，進(jìn)而影響磨損情況。在采煤機(jī)轉(zhuǎn)彎或爬坡時，行走輪除了承受正常的垂直載荷和切向載荷外，還會受到側(cè)向力的作用。側(cè)向力會使輪齒的一側(cè)承受更大的壓力，導(dǎo)致該側(cè)磨損加劇。在轉(zhuǎn)彎工況下，外側(cè)輪齒由于受到側(cè)向力的作用，與銷排的接觸壓力增大，磨損速度比內(nèi)側(cè)輪齒快很多。據(jù)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在頻繁轉(zhuǎn)彎的采煤工作面，行走輪外側(cè)輪齒的磨損量可比內(nèi)側(cè)輪齒高出50%-80%。載荷方向的頻繁變化還會使輪齒表面的應(yīng)力分布更加復(fù)雜，容易引發(fā)疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，進(jìn)一步加劇磨損。載荷波動對行走輪的磨損也有重要影響。采煤機(jī)在工作過程中，由于煤層的不均勻性、截割阻力的變化以及刮板輸送機(jī)的運(yùn)行狀況等因素，行走輪所承受的載荷會發(fā)生波動。載荷波動會使行走輪受到?jīng)_擊載荷的作用，產(chǎn)生瞬間的高應(yīng)力。這種沖擊載荷會導(dǎo)致輪齒表面的材料發(fā)生塑性變形和疲勞損傷，加速磨損。在采煤機(jī)遇到斷層或堅(jiān)硬的煤巖塊時，行走輪會受到強(qiáng)烈的沖擊載荷，可能會導(dǎo)致輪齒表面出現(xiàn)剝落、裂紋等損傷。實(shí)驗(yàn)表明，在相同的平均載荷下，載荷波動越大，行走輪的磨損速率越高，疲勞壽命越低。頻繁的載荷波動還會使行走輪的連接部件松動，影響其正常工作，間接加劇磨損。工作環(huán)境對行走輪的磨損有著多方面的影響。采煤機(jī)工作環(huán)境中的溫度、濕度和粉塵等因素都會影響行走輪的磨損。在高溫環(huán)境下，材料的硬度和強(qiáng)度會降低，使得行走輪更容易發(fā)生磨損。高溫還會使?jié)櫥瑒┑男阅芟陆?，潤滑效果變差，進(jìn)一步加劇磨損。濕度較大的環(huán)境會導(dǎo)致金屬材料生銹，降低材料的性能，加速磨損。采煤工作面的粉塵會進(jìn)入行走輪與銷排的嚙合區(qū)域，形成磨粒磨損，加速輪齒的磨損。在高粉塵環(huán)境下，煤塵和巖屑等硬質(zhì)顆粒會不斷地刮擦輪齒表面，使輪齒表面的材料逐漸磨損。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高粉塵環(huán)境下，行走輪的磨損速率可比正常環(huán)境下提高30%-50%。工作環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì)也會對行走輪造成腐蝕磨損，降低其使用壽命。4.2.4潤滑條件的影響潤滑條件對采煤機(jī)行走輪的磨損有著至關(guān)重要的影響，其中潤滑劑的選擇、潤滑方式和潤滑周期等方面都在不同程度上影響著行走輪的磨損情況。潤滑劑的選擇是影響行走輪磨損的關(guān)鍵因素之一。合適的潤滑劑能夠在行走輪與銷排之間形成一層潤滑膜，有效降低摩擦系數(shù)，減少磨損。潤滑劑還可以起到冷卻、防銹和清潔的作用，延長行走輪的使用壽命。在選擇潤滑劑時，需要考慮其粘度、油性、極壓性能和抗磨性能等因素。粘度是潤滑劑的重要指標(biāo)之一，它影響著潤滑膜的厚度和承載能力。對于采煤機(jī)行走輪，應(yīng)選擇粘度適中的潤滑劑，以確保在不同工況下都能形成有效的潤滑膜。如果粘度過低，潤滑膜容易破裂，導(dǎo)致磨損加??；粘度過高，則會增加運(yùn)動阻力，影響采煤機(jī)的運(yùn)行效率。油性是指潤滑劑在金屬表面的吸附能力，油性好的潤滑劑能夠更好地吸附在輪齒表面，形成牢固的潤滑膜，降低摩擦和磨損。極壓性能是指潤滑劑在高壓、高溫條件下保持潤滑性能的能力，采煤機(jī)行走輪在工作時會承受較大的壓力和摩擦力，因此需要選擇具有良好極壓性能的潤滑劑，以防止輪齒在高負(fù)荷下發(fā)生粘著磨損和擦傷?？鼓バ阅苁侵笣櫥瑒┑挚鼓p的能力，選擇具有良好抗磨性能的潤滑劑可以有效減少行走輪的磨損。根據(jù)采煤機(jī)行走輪的工作特點(diǎn)，通常選擇含有極壓添加劑和抗磨添加劑的潤滑油或潤滑脂作為潤滑劑，如含有二硫化鉬、石墨等添加劑的潤滑劑，能夠顯著提高潤滑性能，降低磨損。潤滑方式對行走輪的磨損也有重要影響。常見的潤滑方式有飛濺潤滑、壓力潤滑和油浴潤滑等。飛濺潤滑是利用行走輪的旋轉(zhuǎn)將潤滑油濺到輪齒表面，形成潤滑膜。這種潤滑方式簡單、成本低，但潤滑效果受行走輪轉(zhuǎn)速和潤滑油量的影響較大，在高速或重載工況下，潤滑效果可能不理想。壓力潤滑是通過油泵將潤滑油以一定的壓力輸送到行走輪的各個潤滑點(diǎn)，能夠保證在各種工況下都有充足的潤滑油供應(yīng)，潤滑效果好，但需要配備專門的潤滑系統(tǒng)，成本較高。油浴潤滑是將行走輪部分浸入潤滑油中，使輪齒在轉(zhuǎn)動時能夠直接接觸潤滑油，形成潤滑膜。這種潤滑方式適用于低速、重載的工況，但潤滑油容易受到污染，需要定期更換。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)采煤機(jī)行走輪的工作條件和要求選擇合適的潤滑方式。對于高速、重載的行走輪，采用壓力潤滑可以確保良好的潤滑效果，減少磨損；對于低速、輕載的行走輪，飛濺潤滑或油浴潤滑可能更為合適。潤滑周期是指兩次潤滑之間的時間間隔，合理的潤滑周期能夠保持行走輪良好的潤滑狀態(tài)，避免過度磨損和損壞。如果潤滑周期過長，潤滑油會逐漸消耗，潤滑膜變薄，導(dǎo)致磨損加??；潤滑周期過短，則會增加維護(hù)成本和工作量。在確定潤滑周期時，需要考慮行走輪的工作載荷、轉(zhuǎn)速、工作環(huán)境以及潤滑劑的性能等因素。在高載荷、高轉(zhuǎn)速和惡劣工作環(huán)境下，行走輪的磨損較快，應(yīng)適當(dāng)縮短潤滑周期；而在低載荷、低轉(zhuǎn)速和良好工作環(huán)境下，可以適當(dāng)延長潤滑周期。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備制造商的建議，一般采煤機(jī)行走輪的潤滑周期在