對采煤機截割部扭矩軸的改進研究

梁 廣

(西山煤電集團 馬蘭礦，山西 古交 030200)

對采煤機截割部扭矩軸的改進研究

梁 廣

(西山煤電集團 馬蘭礦，山西 古交 030200)

針對采煤機截割部扭矩軸存在剪切槽，容易損壞的缺點，提出了改進方案，對扭矩軸進行了改進。新的扭矩軸去掉了剪切槽，改為端齒結構，并設置了限位板。改進后，在采煤機截割部維護過程中，只需定期更換限位板即可，無需經常更換扭矩軸，節省了維護成本和維修時間。經過對改進后的扭矩軸進行理論上的分析論證，得出了改進方案是可行的。

采煤機；截割部；端齒結構；限位板；扭矩軸

采煤機是煤礦開采中最常見的設備之一，對于煤礦的正常開采起著非常關鍵的作用。在生產中，采煤機截割部的扭矩軸經常發生損壞，特別是在一些含夾矸較多的煤層的開采過程中，扭矩軸更容易損壞。扭矩軸價格不菲，頻繁更換扭矩軸會增加企業成本，不利于節能降耗。

1 扭矩軸易于損壞的原因分析

要解決扭矩軸經常損壞的問題，首先要找到損壞的原因。目前最常見的采煤機搖臂輸入端的示意圖見圖1. 根據圖1可以看出，采煤機上的動力傳輸為三相異步電動機2將動力傳遞給扭矩軸1，扭矩軸一端連接電動機，另一端連接搖臂傳動部件，這樣扭矩軸1就將電動機2的動力傳遞給搖臂內部的傳動件。

由于扭矩軸是一個細長的軸結構，其中部還有一個剪切槽，這使得它成為采煤機結構中的一個薄弱的部件，很容易發生損壞，特別是當傳動部件載荷較大時，被損壞的幾率就更大。在實際工作中，由于煤層中含有一定量的夾矸，再加上操作的原因，難免存在偶爾過載。因此，扭矩軸斷裂的情況時有發生。

1—扭矩軸 2—三相異步電機 3—齒輪 4—搖臂殼體圖1 采煤機搖臂輸入端示意圖

2 改進方案

為解決扭矩軸易于損壞的問題，通過研究，對扭矩軸的結構提出了改進措施，見圖2. 該方案將原來的剪切槽改為端齒結構，并在結構的右端設置一個限位板。改進后的扭矩軸具有過載保護功能，其原理如下：利用端齒盤傳遞扭矩時，齒間作用力存在一個軸向分力，當過載時，軸向分力產生的剪切應力會將限位板剪斷，端齒就會脫開，從而斷開傳動鏈。改進后，在采煤機維護中只需定期更換圖2中的限位板即可，可以大大節省成本。

1—帶端齒的扭矩軸 2—齒輪 3—限位板圖2 端齒結構簡圖

3 端齒盤幾何參數設計

端面齒結構通常用于各類分度機構中。目前，端齒盤的設計選型可供參考的行業標準主要有兩個：JB/T 3242-1993和JB/T 4316.1-2011. 前者將端齒作為聯軸器使用，但其規格過大，不適用于采煤機的設計。因此，參考JB/T 4316.1-2011標準自行設計了端齒結構。

某公司使用的采煤機，其截割功率為500 kW，其端齒盤軸向剖面圖見圖3，端齒盤徑向放大圖見圖4. 根據其結構圖和JB/T 3242-1993的內容，設計端齒參數如下：

齒數Z：30，外直徑D1：75 mm，內直徑D2：35 mm，齒傾角α：5.2°，齒形角β：25°，齒根圓角R：0.9 mm

(1)

(2)

(3)

h=0.3t=2.36mm

(4)

H=h+a+R=5.34mm

(5)

圖3 端齒盤軸向剖面圖

圖4 端齒盤徑向放大圖

4 端齒強度計算

設計完成后，要對強度進行驗算。

4.1 端齒擠壓應力計算校核

單齒齒面圓周方向力為：

(6)

式中：

T—輸入轉矩，Nm；

Dp—端齒平均直徑，mm；

Z′—有效承載齒數，考慮接觸不均載性。

截割電機輸入功率500 kW，輸入轉速1 475 r/min.

(7)

(8)

Z′=7Z/12=17.5

(9)

將(9)代入(6)，得到

Ft=6 726.83N

(10)

齒面壓力：

(11)

式中：

ρ—摩擦角，(°)，鋼對鋼可取5.71.

接觸面積：

A=HB/cosβ

(12)

齒寬：

(13)

齒面擠壓應力：

σp=FK/A=99.6MPa

(14)

式中：

K—工況系數，取1.5.

設計用42CrMo作為扭矩軸的材料，其σs=650 MPa

(15)

σp=99.6 MPa<[σp]成立，滿足使用要求。

4.2 端齒彎曲應力計算校核

為簡化計算，將齒根界面簡化為矩形，端齒平均半徑對應的節線上齒厚為：

(16)

齒根厚：

lg=lm+2(H-h)tanβ=5.65mm

(17)

對應齒根彎曲應力：

(18)

式中：

M—圓周方向力產生的彎矩；

W—軸向截面模量。

(19)

材料選42CrMo，σb=900 MPa.

(20)

σb=401.5 MPa<[σb]，所以滿足使用。

綜合以上結論，端齒結構參數滿足截割功率500 kW搖臂的使用要求。

4.3 限位板剪切應力計算

端齒產生總的軸向力：

(21)

限位板剪切圓d1=45 mm，板厚h1=3 mm.

剪切應力：

(22)

式中：

K1—過載系數，根據行業推薦值，取2.5. 根據計算剪切應力，選擇對應的纖維板材料。

5 有限元分析驗證

利用Pro/E建立三維模型，為簡化分析取單齒進行有限元分析驗證。單齒加F=7 814.1 N，查看其等效應力，結果見圖5. 由圖5可以看出，齒根處最大等效應力為352.42 MPa，而42CrMo的許用彎曲應力為600 MPa，最大等效應力小于材料的許用應力。

圖5 有限元分析得到的端齒的等效應力圖

6 結 論

1) 針對采煤機截割部扭矩軸存在剪切槽，容易損壞的缺點，提出了改進方案，對扭矩軸進行了改進。新的扭矩軸去掉了剪切槽，改為端齒結構，并設置了限位板。改進后，在采煤機截割部維護過程中，只需定期更換限位板即可，無需經常更換扭矩軸，節省了維護成本和維修時間。

2) 對改進后的結構，設計了結構的具體參數，并且從理論上進行了分析論證，為此結構的設計提供理論依據。

[1] 陳懷國.基于Pro/ENGINEER的端面齒精確建模[J].機械制造與自動化，2008(5)：96-98.

[2] 王全先，葉寧軍，湯 偉.聯軸器法蘭端面齒的設計及有限元分析[J].機械設計，2011，28(11)：43-46.

Study on Improvement of Torque Shaft of Cutter in Coal Mining Machine

LIANG Guang

Aiming at the shortcomings in the cutting part of the shear shaft, which is usually inclined to damage during operation, an improved scheme is proposed for the torque shaft. The improvement on torque shaft is carried out with the shear slot being removed, gear connection applied, and positioning plate being set. The transformation made the maintenance work more convenient, no frequent torque shaft replacement are needed except for the positioning plate in regular term, maintenance cost reduced and time saved. Theoretical analysis shows that the improved scheme is feasible.

Coal mining machine; Cutting part; Gear structure; Positioning plate; Torque shaft

2017-05-07

梁 廣(1981—)，男，山西昔陽人，2013年畢業于太原理工大學，助理工程師，主要從事煤礦機電管理工作(E-mail)szp6356@163.com

TD421.6

B

1672-0652(2017)06-0054-03