基于ABAQUS的采煤機截割部電機過載保護裝置研究

(太重煤機有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

雙滾筒采煤機是我國現(xiàn)代化綜采工作面的重要機械設備，其工作狀態(tài)穩(wěn)定、自動化程度高，可較大幅度降低井下工作人員的勞動強度和物料消耗，且增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)效果明顯，因此在我國各大煤礦應用廣泛。

采煤機的工作穩(wěn)定性和設備安全性直接影響著煤炭企業(yè)的生產(chǎn)效益，在采煤機沿工作面煤壁往復運動過程中，通過截割部滾筒的不斷旋轉(zhuǎn)對煤巖進行切割落煤，截割部電機提供切割過程的全部動力。實際生產(chǎn)過程中，由于煤巖硬度、矸石分布、截深和截割角度等的變化，電機負載波動較大，加之人工操作失誤導致的截割頭觸碰支架等情況，時常出現(xiàn)電機超載，嚴重影響截割電機的安全使用和傳動系統(tǒng)穩(wěn)定性。針對此問題，應設置專用的電機過載保護裝置，在出現(xiàn)短時過載工況時，及時切斷負荷與電機的關聯(lián)，保證電機的安全穩(wěn)定。

1 截割部電機過載保護方法

一般情況下，截割部電機過載保護包括以下幾種方案：

1)電流監(jiān)測保護。采煤機的截割電機為礦用特種防爆電機，一般都具有恒功率控制和反向牽引保護功能。當實際電流大于額定電流一定范圍時，系統(tǒng)自動牽引降速，降低實際電流至額定值以下，甚至啟動電機反轉(zhuǎn)；但當實際電流大于額定電流一定倍數(shù)，并持續(xù)一定時間時，電機啟動過載保護，及時切斷電機輸出。這種保護方式的缺點在于不能對輸入扭矩進行及時跟蹤監(jiān)測。

2)摩擦離合器式保護。基于電流監(jiān)測方式的局限性，可采用機械式的摩擦離合器對輸入扭矩進行直接監(jiān)測。通過在電機輸出軸和輸入軸之間增加摩擦離合器，可在負荷扭矩突然增大超過一定限度時，空轉(zhuǎn)打滑，防止電機沖擊過載。這種保護裝置可對沖擊性質(zhì)的過載進行較好的防護，但其缺點在于打滑期間仍有較大的輸入扭矩。

3)彈性扭矩軸式保護。 扭矩軸兩端帶有外花鍵，連接軸身兩端的其余動力傳輸裝置，同時在軸身上設置有一處卸荷槽，通過縮小軸頸，可在輸入扭矩超限時發(fā)生瞬時切斷，從而直接斷開負載與電機之間動力傳輸。這種保護方式可有效防止連續(xù)性沖擊對電機的損害，是截割電機過載保護的重要手段[1-3]。本文將對扭矩軸的結(jié)構進行進一步研究。

2 彈性扭矩軸裝配結(jié)構及功能

2.1 裝配結(jié)構

如圖1所示，扭矩軸安裝在電機和減速器之間，正常工作狀態(tài)時，電機上的內(nèi)花鍵與扭矩軸上的外花鍵嚙合，從而傳遞電機動力；扭矩軸另一端的外花鍵與減速器齒輪的內(nèi)花鍵嚙合，從而傳遞負載扭矩。當采煤機處于維修狀態(tài)時，為保證安全操作，一般通過手柄將扭矩軸拉出，使其與減速機內(nèi)花鍵脫離，實現(xiàn)離合式安全保護。可見，扭矩軸是電機和滾筒之間動力傳遞的重要媒介。

圖1 彈性扭矩軸裝配結(jié)構

2.2 扭矩軸的設計功能要求

扭矩軸作為采煤機內(nèi)重要的動力傳輸和電機安全保護裝置，要求其具有良好的彈性緩沖和過載保護能力，具體設計功能要求如下：

第一，傳遞扭矩。采煤機工作時間長、滾筒負載大，因此要求相應的扭矩傳遞設備具有良好的穩(wěn)定性，而扭矩軸兩端的花鍵可保證較大的扭矩傳輸；

第二，緩沖減震。滾筒負荷波動較大，對電機具有一定損害，而扭矩軸的細長結(jié)構對沖擊性負荷具有較好的緩沖作用；

第三，過載保護。為防止過大的沖擊載荷對電機的損害，要求扭矩軸在載荷達到一定數(shù)值時及時斷開，保護電機安全，因此應對扭矩軸的卸荷槽進行合理設計。

3 彈性扭矩卸荷槽尺寸理論計算

3.1 理論計算方法

如圖2所示，彈性扭矩軸主要由兩端的外花鍵、螺栓連接孔、軸身和卸荷槽等結(jié)構組成，其中輥身直徑為Da，卸荷槽最小斷面直徑為D，卸荷槽處內(nèi)孔直徑為d。其中，卸荷槽的結(jié)構形式和最小斷面直徑直接影響其功能的發(fā)揮，本節(jié)將重點對型號為YBCS-900截割電機的彈性扭矩軸的卸荷槽斷面直徑進行理論計算[4-5]。該電機的額定功率P為900 kW，額定轉(zhuǎn)速n為1480 r/min。

圖2 彈性扭矩軸結(jié)構

該電機的額定轉(zhuǎn)矩Tn計算公式如下：

(1)

一般要求在電機嚴重過載，即轉(zhuǎn)矩過載倍數(shù)α達到2.2時，扭矩軸從卸荷槽處斷開，此時卸荷槽處的最大剪應力τmax計算公式如下：

(2)

為保證扭矩軸的正常使用，要求滿足以下關系：

τmax≤[τ]

(3)

式中：[τ]為扭矩軸的許用剪切應力，由材料力學強度計算理論可知，一般選擇[τ]=0.55·[σs]；[σs]為材料的屈服強度極限。

扭矩軸材料選擇常用合金鋼42CrMo，調(diào)質(zhì)處理后的屈服強度[σs]可達930 MPa，則[τ]=0.55·[σs]=512 MPa。

由此可計算得出卸荷槽處最小直徑D=63 mm。

3.2 理論計算的局限性

以上方法可對卸荷槽的最小直徑進行理論計算，但須知材料力學中的剪應力計算公式是以平面假設為基礎的，即假設計算物體的斷面形狀均勻一致。而對于卸荷槽結(jié)構，其截面尺寸在較短長度范圍內(nèi)的變化較大，因此用該公式計算存在一定偏差。與此同時，V形、U形等不同結(jié)構形式的卸荷槽，其斷面形狀變化規(guī)律也不相同，需分別進行研究。針對理論計算存在的局限性，可使用有限元軟件對計算結(jié)果進行校核，并對具體結(jié)構形式進行選擇。

4 有限元分析模型

4.1 有限元模型

1)三維模型。由理論計算可知，對于YBCS-900型截割電機，彈性扭矩軸的最小斷面直徑可設置為63 mm，本文將分別對此尺寸下的V形和U形卸荷槽的受力狀況進行建模分析。建模過程中，由于軸頭花鍵等結(jié)構對卸荷槽位置的受力影響較小，根據(jù)圣維南原理，花鍵可簡化為圓柱體。另外，卸荷槽結(jié)構簡單，因此直接在有限元軟件ABAQUS中，經(jīng)草繪和旋轉(zhuǎn)后獲得。卸荷槽的相關尺寸如圖3所示，兩種結(jié)構具有相同的最小斷面直徑。

圖3 V形和U形卸荷槽尺寸

2)屬性設置及網(wǎng)格劃分。設置為彈性體，彈性模量G=200 GPa，泊松比為0.3。由于卸荷槽是主要受力分析位置，因此應在此處設置高密度網(wǎng)格種子，提高分析精度，其余位置進行自由網(wǎng)格劃分。單元類型選擇分析精度較高的20節(jié)點六面體二次減縮積分單元C3D20R；

3)邊界條件與載荷設置。對于發(fā)生扭斷的極限工況，可在扭矩軸的一端對所有自由度進行約束，而另一端施加極限扭矩2.2Tn。

4.2 有限元分析結(jié)果

圖4、圖5分別為V形和U形卸荷槽對應的Mises應力云圖，結(jié)果表明，扭矩軸的應力最大位置都在卸荷槽處，即不同結(jié)構卸荷槽都能起到斷裂保護的作用。

圖4 V形卸荷槽Mises應力云圖

圖5 U形卸荷槽Mises應力云圖

同時，也可發(fā)現(xiàn)兩云圖中最大應力的分布范圍存在較大差異，圖4中V形卸荷槽的谷底R圓角區(qū)域存在明顯應力集中現(xiàn)象，且其最大應力數(shù)值(1240 MPa)比理論計算值(930 MPa)顯著偏大，表明此時單純采用材料力學方法對軸頸進行計算存在較大偏差。但該結(jié)構卸荷槽在過載斷裂時，扭斷斷面齊整，基本不會產(chǎn)生碎屑，易于斷軸的清理和取出。

圖5中U形卸荷槽最大應力分布范圍相對較寬，約為V形槽的2倍，應力集中現(xiàn)象減弱，且最大應力數(shù)值(981.6 MPa) 與理論計算值(930 MPa)接近，因為U形卸荷槽底部曲率變化平緩，因此材料力學方法計算較為準確。該結(jié)構卸荷槽在扭矩過大時，緩沖減震性能較好，且過載保護能力較強，因此適宜作為采煤機彈性扭矩軸的卸荷槽。

5 結(jié)論

針對采煤機截割部電機的過載保護問題，本文首先分析了采煤機上所采用的不同原理的電機過載保護方式，然后對彈性扭矩軸保護方式的裝配結(jié)構和扭矩軸設計要求進行了研究，隨后利用材料力學方法對YBCS-900型截割電機的扭矩軸參數(shù)進行了計算，最后針對理論計算存在的局限性，利用ABAQUS有限元軟件分別對V形和U形卸荷槽的應力分布進行了研究，結(jié)果表明U形卸荷槽最利于扭矩軸各項功能的發(fā)揮。本文研究成果對截割部電機過載保護裝置的選擇和設計具有積極指導意義。