采煤機搖臂扭矩軸安全槽的設計

□ 譚永躍

杭州力龍液壓有限公司 質保部 杭州 311228

采煤機截割部電動機搖臂扭矩軸是一根細長的傳動軸，它的兩頭一般設計為空心漸開線花鍵，為防止采煤機的電動機過載，要求搖臂扭矩軸在超過額定的載荷時斷裂，故在靠近電動機端開有安全槽，可以產生應力集中，當采煤機截煤發生過載時，發生保護性斷裂來保護電動機和截割部傳動系統，因此，搖臂扭矩軸的可靠性直接影響著采煤機的工作效率［2］。由于截割條件惡劣,導致采煤機的滾筒在實際工作中所承受的外載荷是隨機變化的［1］。如何保證采煤機搖臂在復雜的工作環境下能夠長期使用，這是采煤機正常工作的關鍵。現在比較多見的是對搖臂殼體、傳動零部件及液壓系統進行優化，由于搖臂扭矩軸隨同電動機銷售，作為搖臂工作的源動力輸出件——搖臂扭矩軸的作用反而被忽略。通常，對于搖臂扭矩軸的分析也只是對安全槽進行簡單的結構變化設計以獲取所能承受的最大應力作為安全槽的結構。筆者結合扭轉靜強度安全系數的應用，進而對安全槽進行全方位的結構設計，確保了安全槽在實際生產中的作用。

1 問題的提出

采煤機的截割動力是由電動機通過搖臂扭矩軸傳遞給第一級軸齒輪，再由其它直齒輪和行星齒輪等傳遞給截割滾筒。其中，電動機的搖臂扭矩軸不僅起到傳遞動力的作用，而且還承擔過載保護的作用［3］。在實際生產中，為確保電動機的安全使用，搖臂扭矩軸需要在超過額定的載荷時發生斷裂，而在正常載荷下能傳遞動力，這就需要考慮扭轉靜強度安全系數在設計中的應用。在以往的研究中，只是簡單地改變安全槽的形狀，并沒有結合扭轉靜強度安全系數進行分析，這樣就疏漏了很多使用情況且無法保證搖臂扭矩軸在超過額定的載荷時發生斷裂，筆者結合扭轉靜強度安全系數進行對比計算，以保證達到設計目的。

2 安全槽形狀設計及參數確定

采煤機搖臂扭矩軸的基本結構是一根空心的外花鍵軸,在軸的一側有U型或V型結構的安全槽,以產生缺口效應［5］,如圖 1 所示。

▲圖1 搖臂扭矩軸基本結構圖

搖臂扭矩軸在正常工作時軸向受力圖如圖2所示，由圖2可知，搖臂扭矩軸的失效形式主要是安全槽的斷裂，在實際生產中，既需要充分發揮其傳遞動力，又需要保證其起到過載保護的功用，安全槽的設計成為了搖臂扭矩軸能否應用到實際生產中的關鍵問題。

▲圖2 搖臂扭矩軸軸向受力分布圖

2.1 材料的選擇

為合理選擇搖臂扭矩軸材料，應綜合考慮各種因素：為滿足抗疲勞、抗沖擊性能，要求有一定的芯部硬度；搖臂扭矩軸與第一級軸齒輪通過花鍵連接，花鍵表面要和齒輪嚙合良好，故應保證搖臂扭矩軸材料在強度上與齒輪材料基本一致；生產廠家對材料熱處理工藝的穩定程度以及技術成熟情況應能滿足一定的性能要求［4］。

20CrNiMo是優質調質鋼，調質后有良好的綜合力學性能，低溫沖擊韌性很高，淬火低溫回火或高溫回火后都有較高的抗疲勞強度和低的缺口敏感度，中等的淬透性，適用于大截面、承受沖擊載荷的高強度零件。因此，本次試驗選擇 20CrNiMo，σS=785 MPa［5］。

2.2 安全槽形狀的設計

工程機械中使用的安全槽的形狀有U槽、V槽、矩形槽及梯形槽等形式，本文所設計的安全槽結構形式如圖3所示。對矩形槽、U形槽、梯形槽1、梯形槽2、梯形槽3及V形槽在保證一定深度、載荷與約束不變的情況下進行受力分析，得到不同形狀安全槽的加載扭矩，然后再對比圖1的搖臂扭矩軸扭矩，得到安全槽的最優形式。

▲圖3 不同的安全槽

2.3 扭轉靜強度安全系數的確定

扭轉靜強度安全系數［n］=3～2.2［7］，由于搖臂扭矩軸主要承受扭轉切應力。考慮到電機啟動、過載強度要求及系統的彈性緩沖要求，取n=2.5。

3 結果分析

切應力［τ］=（0.55～0.62）σS［5］，代入得［τ］≈432～487 MPa；為保證搖臂扭矩能發揮過載保護作用，取［τ］=487 MPa，在此情況下，利用ANSYS和UG兩種分析軟件求解得到各種形狀的安全槽所需要加載的扭矩，見表1。

表1 最大切應力對應加載扭矩/（N·m）

此電機正常施加扭矩為4 839.5 N·m，根據扭轉靜強度安全系數得到安全槽在達到此系數時斷裂所需要的扭矩為12 100 N·m，對比表1得到最佳安全槽形式為U槽。

4 結束語

對某煤機公司使用的搖臂扭矩軸進行了不同形狀安全槽的加載測試，結果表明，原設計的搖臂扭矩軸當發生過載時并不能及時斷裂,未能起到保護作用。為了確定合適的搖臂扭矩軸安全槽形狀,對安全槽形狀進行了重新設計，并對原安全槽槽形進行加深，分別對其進行靜力學分析，得到當U槽深度加深1 mm時能很好地滿足要求，在采煤機發生過載時,搖臂扭矩軸能及時斷裂,起到了過載保護的作用,具有較好的可靠性。

［1］ 吳衛東,安興偉.基于ANSYS的采煤機搖臂的有限元分析［J］.煤礦機械 ,2009,30（5）:77-78.

［2］ 王正廷,楊兆建,王義亮.基于理論應力集中系數的采煤機轉矩軸設計與分析［J］.礦山機械,2013（5）:24-28.

［3］ 王振乾,楊麗偉,陶震.采煤機搖臂扭矩軸的有限元分析［J］.煤礦機電 ,2006（5）:92-93.

［4］ 趙麗娟,周宇.采煤機扭矩軸設計［J］.現代制造工程,2009（5）:111-114.

［5］ 成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2004.

［6］ 趙曉斌.彈性扭矩軸的設計［J］.煤炭技術,2004,23（7）:23-24.

［7］ 劉春生,靳立紅,閆曉林.采煤機彈性扭矩軸功能設計［J］.礦山機械,2009（9）:1-2.