掘進(jìn)機裝載驅(qū)動的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

魏晉東

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司機電廠， 山西 太原 030024）

引言

掘進(jìn)機如圖1所示，其主要結(jié)構(gòu)分為：截割機構(gòu)、行走機構(gòu)、裝載機構(gòu)與液壓機構(gòu)。裝載機構(gòu)主要由星輪在鏟板位置中通過其低速大扭矩馬達(dá)與星輪內(nèi)外花鍵的配合進(jìn)行固定圓周轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動的同時將物料扒裝入刮板輸送機中[1]。在煤礦井下工況中，連接星輪的轉(zhuǎn)盤外花鍵軸通常會發(fā)生結(jié)構(gòu)疲勞破壞，如圖2所示。斷裂的外花鍵軸將裝載工作的連續(xù)性打斷，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)停機事故。本文將對本次發(fā)生斷裂的外花鍵軸采用simulation軟件，對不同結(jié)構(gòu)的花鍵軸進(jìn)行受力仿真分析，得出最優(yōu)化結(jié)果。

圖1 掘進(jìn)機外形結(jié)構(gòu)圖

圖2 斷裂的花鍵軸

1 花鍵軸斷裂原因分析

本次所分析的花鍵軸實際斷裂處發(fā)生在花鍵軸與轉(zhuǎn)盤焊接處的根部。在原因分析時主要采用理論計算與三維實體仿真兩種方法[2]。

本次所計算配合外花鍵花鍵軸如圖3所示。

參照裝載要求50 m3/min設(shè)計，選型液壓大扭矩馬達(dá)性能參數(shù)Vmax=400 r/min，P額=130 kW，花鍵齒數(shù)n=400。強度校核計算如下所示：

圖3 花鍵軸標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)格

T=9 549P/n=9 549×130/400=3 103 N·m.

名義切向力為：

Ft=2 000×T/dm=2 000×3 103÷[（64.4+58.4）÷2]=101 kN。

式中：64.4 mm為外花鍵大徑，58.4 mm為外花鍵小徑。

花鍵所選材料為Q235，其屈服強度為235 kN，雖然名義切向力Ft＜235 kN。因此，原設(shè)計方案中花鍵軸并不會發(fā)生疲勞破壞。

在simulation軟件中進(jìn)行有限元分析如圖4所示。

圖4 simulation軟件花鍵軸載荷分析

通過simulation有限元分析發(fā)現(xiàn)，疲勞破壞發(fā)生在花鍵軸根部，但是通過安全校核驗證，材料滿足屈服極限。考慮問題出現(xiàn)在設(shè)計方案上。原設(shè)計方案為：外花鍵軸根部直接采用焊接的方式焊到轉(zhuǎn)盤上，在焊接過程中根部結(jié)構(gòu)經(jīng)過焊接受熱后，根部產(chǎn)生的應(yīng)力集中及熱處理問題十分突出，在使用過程中極易發(fā)生疲勞破壞。

2 設(shè)計改進(jìn)并有限元分析

對原設(shè)計方案進(jìn)行更改，將直通式外花鍵軸更改為階梯式花鍵軸，將原有焊接方式改為通過階梯軸和螺栓定位方式，重新設(shè)計外花鍵軸如圖5所示

圖5 重新設(shè)計外花鍵軸

在有限元軟件simulation中，將重新設(shè)計后的外花鍵軸進(jìn)行有限元模擬其受力分析，結(jié)果如圖6所示。

3 結(jié)論

通過對外花鍵軸的重新設(shè)計并進(jìn)行有限元分析后發(fā)現(xiàn)：最初設(shè)計方案結(jié)構(gòu)簡單，但易發(fā)生疲勞破壞；通過改進(jìn)設(shè)計方案，解決了這一問題。改進(jìn)后的方案在實際使用過程中同一位置處未發(fā)生疲勞破壞現(xiàn)象。可見改進(jìn)設(shè)計有效合理。

圖6 重新設(shè)計的外花鍵軸有限元分析

[1] 聞邦椿.機械設(shè)計手冊：第5版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2] 楊哲勇.散料理論在掘進(jìn)裝備機械中的仿真應(yīng)用[J].煤礦機械，2017，38（6）：121-123.