采煤機(jī)扭矩軸卸荷槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

郄巖偉

（晉能控股集團(tuán)和順新大地煤業(yè)有限公司， 山西 晉中 030600）

引言

由于采煤機(jī)工作環(huán)境惡劣，截割機(jī)構(gòu)的受力較為復(fù)雜，再加上煤層質(zhì)地的差異導(dǎo)致采煤過程載荷波動大，過載、悶車等情況時有發(fā)生，采煤機(jī)傳動部件甚至電機(jī)隨時可能被損壞，使采煤工作停滯[1-3]。為此，在采煤機(jī)截割電機(jī)空心軸內(nèi)設(shè)置扭矩軸，不僅能傳遞截割扭矩、緩沖動載，還能夠在截割機(jī)構(gòu)過載時發(fā)生斷裂，保護(hù)截割傳動系統(tǒng)。隨著采煤機(jī)截割功率的提高，對于扭矩軸的要求越來越高，一旦出現(xiàn)扭矩軸過載未斷情況，將會給采煤機(jī)造成毀滅性的故障，產(chǎn)生不可估量的經(jīng)濟(jì)損失；與此同時，扭矩軸也不能經(jīng)常發(fā)生斷裂，經(jīng)常更換扭矩軸將會降低采煤機(jī)的工作效率[4-5]。卸荷槽作為扭矩軸實現(xiàn)過載保護(hù)的重要結(jié)構(gòu)，是扭矩軸中強(qiáng)度最弱的部分，也是扭矩軸功能能否可靠實現(xiàn)的保證[6]。因此對采煤機(jī)扭矩軸卸荷槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找出扭矩軸存在的問題進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高扭矩軸工作可靠性，對于提高采煤機(jī)工作效率具有重要意義。

1 扭矩軸的結(jié)構(gòu)及作用

某型號采煤機(jī)扭矩軸的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由圖1 可以看出扭矩軸中間為實心軸段，兩端設(shè)置空心軸段分別用于連接電機(jī)和截割機(jī)構(gòu)，截割電機(jī)連接軸段的外圓部分設(shè)計了卸荷槽。結(jié)構(gòu)中標(biāo)注的具體尺寸如下：軸長L=1 275 mm，卸荷槽軸向位置L0=290 mm，空心軸段內(nèi)徑d=35 mm，扭矩軸外徑D=70 mm，形槽半徑r=3 mm，形槽深度h=7 mm。

扭矩軸作為采煤機(jī)動載緩沖與過載保護(hù)的關(guān)鍵部件，其具體作用如下：

1）實現(xiàn)電機(jī)與截割機(jī)構(gòu)之間扭矩的平穩(wěn)傳遞。扭矩軸空心軸內(nèi)部設(shè)置有花鍵軸，相較于其他扭矩傳動結(jié)構(gòu)，具有傳輸扭矩大、結(jié)構(gòu)緊湊、更換方便等優(yōu)勢。

圖1 扭矩軸結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

2）由于扭矩軸具有細(xì)長的結(jié)構(gòu)及優(yōu)良的力學(xué)性，對于采煤機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的沖擊載荷具有一定的緩沖作用，可降低采煤機(jī)運(yùn)行過程中的振動。

3）當(dāng)采煤機(jī)采煤時突然出現(xiàn)過載時，截割傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩急劇增大，為了保護(hù)電機(jī)和傳動系統(tǒng)，扭矩軸卸荷槽位置優(yōu)先斷裂，切斷扭矩傳輸路徑，起到采煤機(jī)過載保護(hù)的作用。

2 扭矩軸仿真分析

2.1 模型建立

依據(jù)扭矩軸工程圖紙，采用UG 完成扭矩軸三維模型的繪制，為了縮短有限元仿真分析的時間，對扭矩軸模型進(jìn)行了簡化處理，去掉了結(jié)構(gòu)中的多余倒角。另存為.igs 格式文件，導(dǎo)入ABAQS 軟件中的靜力學(xué)分析模塊。根據(jù)表1 中42CrMo 材料性能參數(shù)對扭矩軸模型進(jìn)行材料屬性的設(shè)置。

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分對于有限元分析結(jié)果影響較大，扭矩軸單元格選擇C3D8R 四面體類型，本文重點對扭矩軸卸荷槽的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化。網(wǎng)格設(shè)置過程中將扭矩軸整體的單元格邊長取5 mm，卸荷槽位置的單元格邊長取1 mm。劃分之后扭矩軸的網(wǎng)格總數(shù)為22 830，網(wǎng)格劃分均勻合理。

表1 42CrMo 材料性能參數(shù)

2.3 邊界條件和載荷的設(shè)置

根據(jù)扭矩軸實際工況，扭矩軸工作過程中主要承受扭轉(zhuǎn)載荷，在扭矩軸截割部電動機(jī)處施加固定約束，在滾筒端施加固定扭矩。扭矩軸所受的最大扭矩以電機(jī)在2.2 倍額定功率工作時輸出的扭矩為準(zhǔn)，計算得到最大扭矩Tmax=7 244 N·m。仿真計算時長設(shè)置為0.1 s，劃分為25 個子步求解。

2.4 結(jié)果和分析

完成扭矩軸有限元分析模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件和載荷的設(shè)置之后運(yùn)用ABAQS 軟件中的求解器進(jìn)行仿真計算。通過vislization 查看得到扭矩軸的Mises 應(yīng)力分布云圖如圖2 所示。

圖2 扭矩軸應(yīng)力（MPa）分布云圖

由圖2 扭矩軸應(yīng)力分布云圖可以看出，扭矩軸工作過程中最大應(yīng)力出現(xiàn)在卸荷槽的位置，并且應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，最大應(yīng)力值為436 MPa，其余位置應(yīng)力分布較均勻。計算得到扭矩軸材料的抗扭強(qiáng)度為540 MPa，與扭矩軸最大應(yīng)力比較可以得出扭矩軸承受最大扭矩載荷時的最大應(yīng)力未超過材料抗扭強(qiáng)度，并未達(dá)到采煤機(jī)過載保護(hù)的目的。當(dāng)采煤機(jī)過載時扭矩軸尚未斷裂，極有可能導(dǎo)致傳動系統(tǒng)中的其他構(gòu)件損壞，出現(xiàn)更為嚴(yán)重的事故。

3 優(yōu)化設(shè)計

針對扭矩軸工作過程中最大應(yīng)力低于材料抗扭強(qiáng)度的問題，為避免產(chǎn)生采煤機(jī)工作過載時出現(xiàn)扭矩軸不能及時斷裂的問題，造成采煤機(jī)其他傳動構(gòu)件的損壞，在不改變扭矩軸卸荷槽位置、寬度的前提下，開展卸荷槽的深度優(yōu)化分析工作。分別設(shè)計卸荷槽深度 h 為 7 mm、8 mm、9 mm、10 mm，之后在相同仿真條件下進(jìn)行扭矩軸的應(yīng)力仿真計算，圖3 給出了不同卸荷槽深度下扭矩軸的應(yīng)力分布云圖。

由圖3 可以看出，不同卸荷槽深度下扭矩軸的應(yīng)力集中均出現(xiàn)在卸荷槽位置，隨著卸荷槽深度的增大，應(yīng)力集中越明顯，最大應(yīng)力出現(xiàn)在形卸荷槽的底部。統(tǒng)計得出卸荷槽深度h=7 mm 時的最大應(yīng)力為 436 MPa；h=8 mm 時的最大應(yīng)力為 492 MPa；h=9 mm 時的最大應(yīng)力為534 MPa；h=10 mm 時的最大應(yīng)力為581 MPa。卸荷槽兩端軸段的應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)對稱分布趨勢，遠(yuǎn)離卸荷槽過程中應(yīng)力集中現(xiàn)象減少。

圖3 優(yōu)化后不同卸荷槽深度下扭矩軸的應(yīng)力（MPa）分布云圖

由不同卸荷槽深度下扭矩軸所受的最大應(yīng)力可以看出，卸荷槽的深度每增加1mm，最大應(yīng)力增加約50 MPa。當(dāng)卸荷槽深度為10 mm，扭矩軸應(yīng)力集中現(xiàn)象最明顯，最大應(yīng)力值為581 MPa，相較于扭矩軸材料的抗扭強(qiáng)度值540 MPa 可以看出，當(dāng)采煤機(jī)工作過載時，扭矩軸能優(yōu)先斷裂，起到保護(hù)采煤機(jī)電機(jī)及傳動系統(tǒng)的作用。當(dāng)然并不是扭矩軸的最大應(yīng)力越大越好，否則會導(dǎo)致扭矩軸承載能力降低。在采煤機(jī)工作時，較小的載荷波動就可能導(dǎo)致扭矩軸的斷裂，增加扭矩軸的更換頻次，降低采煤機(jī)的工作效率。卸荷槽深度為7 mm、8 mm、9 mm 時的最大應(yīng)力值均未超出扭矩軸的抗扭強(qiáng)度，不能起到過載保護(hù)的作用，因此扭矩軸卸荷槽深度10 mm 為宜。

通過對不同卸荷槽深度扭矩軸進(jìn)行仿真計算，結(jié)合采煤機(jī)實際工況及扭矩軸的工作原理，將扭矩軸中卸荷槽的深度確定為10 mm。采煤機(jī)應(yīng)用優(yōu)化的扭矩軸之后，當(dāng)采煤機(jī)出現(xiàn)過載情況時，扭矩軸能夠及時斷裂，切斷扭轉(zhuǎn)傳輸路徑，保護(hù)采煤機(jī)的電機(jī)及傳動系統(tǒng)的安全。在其服役的3 個月內(nèi)未出現(xiàn)扭矩軸未斷、傳動結(jié)構(gòu)件損毀的情況，可見扭矩軸優(yōu)化取得了明顯的效果。

4 結(jié)論

本文以某型號采煤機(jī)扭矩軸為研究對象，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，對扭矩軸卸荷槽深度進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果表明，存在采煤機(jī)過載時扭矩軸不斷裂的問題。之后完成了扭矩軸卸荷槽深度的優(yōu)化設(shè)計，當(dāng)扭矩軸卸荷槽深度由7 mm 增大到10 mm 時，扭矩軸的大應(yīng)力最達(dá)值由436 MPa 升高至581 MPa，高于材料的抗扭強(qiáng)度，滿足采煤機(jī)過載保護(hù)的要求。實際應(yīng)用過程中優(yōu)化之后的扭矩軸工作性能可靠，提高了采煤機(jī)的工作效率。