采煤機扭矩軸卸荷槽結構優化研究

高鳳偉

（趙莊煤業有限公司，山西 長治 046000）

引言

我國煤炭資源儲量豐富，但賦存不均，由于煤礦資源是我國最為重要的一次性能源，因此隨著煤炭資源的開采量不斷增加，我國煤炭資源賦存簡單的煤層大部分已經得到開采，所以目前我國煤炭資源的開采重點逐步轉移至賦存條件較為復雜的煤層。在進行復雜煤層開采時，煤礦機械的穩定性是十分關鍵的，煤礦機械效率及穩定性越好，煤炭資源的開采效率越高。采煤機作為我國主要的煤礦開采設備，其工作性能直接關系到煤炭的產量。由于工況環境較為惡劣，造成采煤機截割機構受力十分復雜[1-2]，極易造成采煤機電機發生損壞。扭矩軸是保護截割電機極為重要的元件，提升扭矩軸的性能對于保證采煤機工作效率十分重要，此前眾多學者對采煤機扭矩軸進行過一定的研究[3-4]，本文利用數值模擬軟件對采煤機扭矩軸進行優化設計，為采煤機正常工作提供一定的保障。

1 數值模擬分析

為了對采煤機扭矩軸卸荷槽進行優化設計，首先對扭矩軸的卸荷槽進行靜力學分析，計算在固定荷載下結構的應力、應變情況。首先選定ABAQUS數值模擬軟件進行模型的建立，模型的建立選定CAD建模導入，導入模型后對模型的材料進行選定，由于扭矩軸的芯部需要一定的強度和剛度，所以選定扭矩軸的材料為42CrMo，材料的彈性模量為210 GPa，屈服應力為900 MPa，材料的密度及泊松比分別為9.8 g/cm3和0.3，完成模型材料屬性設定后對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時，充分考慮分析需求，保證一定的計算時間要求的同時，滿足計算精度的要求，綜合考慮后選定四面體C3D8R進行網格劃分，在扭矩軸的卸荷槽部位進行細劃分，劃分完成后共有22 803個單元，完成模型網格劃分后對模型的邊界條件和加載進行設定。通過電機的計算功率及轉速得出扭矩設定值為7 233 N·m，固定模型的邊界，完成模型設定后對模型進行計算分析，本文僅展示U型卸荷槽下扭矩軸的應力應變云圖（見圖1）。

圖1 U型槽下扭矩軸應力應變云圖

通過對模型進行模擬分析，發現在三種卸荷槽形狀下，扭矩軸的最大應力出現的位置均為軸頸部的位置，且應力集中現象較為明顯，其中V型卸荷槽下扭矩軸的最大應力值達到507 MPa，應力值最大，I型卸荷槽下扭矩軸的最大應力值為454 MPa，U型卸荷槽下扭矩軸的最大應力值為436 MPa，較V型卸荷槽最大應力降低了71 MPa，最大應力值是三種槽型中最小的。分析三種槽型下扭矩軸的變形情況可以看出，在U型卸荷槽下扭矩軸的變形量最小，最小是為1.43×10-3mm，應變最大值出現在軸頸部。考慮到三種槽型下的最大應力值均小于材料的屈服極限，所以三種卸荷槽應力均滿足要求的情況下選定U型槽可以很好地限制扭矩軸的變形。

2 不同結構參數下扭矩軸效果分析

在選定U型槽后，對不同結構參數下扭矩軸的力學性能進行分析。

2.1 對卸荷槽槽深進行對比分析

選定槽深h分別為7 mm、8 mm、9 mm和10 mm分別進行模擬計算，將不同槽深下扭矩軸的應力應變曲線進行對比分析如圖2所示。

圖2 不同槽深下沿路徑應力應變曲線

如圖2可以看出，不同卸荷槽深度下隨著U型槽前沿角的增大，扭矩軸的應力呈現先快速增加后緩慢增加的趨勢，同時根據應力云圖可以看出，卸荷槽兩端受力呈現對稱分布的趨勢，對稱軸為扭矩軸的中軸線，在卸荷槽槽口底部出現應力集中，且應力最大值同樣出現在此位置，隨著距離槽底距離的增大，應力集中現象逐步減弱，深度7 mm時，扭矩軸的應力最大值為401 MPa，當槽深增大至8 mm時，此時的應力最大值為451，較槽深7 mm時增大了50 MPa，當槽深增大至9 mm時，此時的應力最大值為482，較槽深7 mm時增大了81 MPa，當槽深增大至10 mm時，此時的應力最大值為534，較槽深7 mm時增大了133 MPa，此時的應力值最大。對比槽深對應變的影響可以看出，槽深對應力應變的影響效果幾乎相似，隨著槽深的增大，扭矩軸的應變也呈現出逐步增大的趨勢，當槽深為7 mm時，此時的變形量最大僅為2.754×10-3mm，在槽深10 mm的位置應變最大，最大值為5.504×10-3mm。通過分析可以看出，最佳的槽深為7 mm。

2.2 對不同卸荷槽槽寬進行對比分析

選定槽寬t分別為3 mm、3.5 mm、4 mm和4.5 mm分別進行模擬計算，將不同槽寬下扭矩軸的應力應變曲線進行對比分析如圖3所示。

圖3 不同槽寬下沿路徑應力應變曲線

從圖3可以看出，不同卸荷槽槽寬下應力曲線在U型前沿角為5°以下時，應力曲線幾乎重合，此時說明槽寬對扭矩軸的應力影響在此范圍內時較小，甚至可以說無影響；當U型前沿角大于5°時，此時隨著槽寬的增大扭矩軸的最大應力值呈現逐步增大的趨勢，同時隨著U型前沿角的增大，扭矩軸的應力值逐步增大；當槽寬為3.5 mm時，此時的應力最大值最小僅為330.5 MPa，當卸荷槽的槽寬增大至4.5 mm時，此時的應力值最大為465 MPa，最大值降低了134.5 MPa，應變曲線呈現出隨著U型前沿角的增大逐步增大的趨勢，增長的趨勢類似，同時隨著槽寬的增大，扭矩軸的變形量逐步增大，綜合比較可以得出最佳的槽寬為4 mm。

2.3 對不同卸荷槽位置進行分析

卸荷槽軸向位置L0作為唯一變量，選定L0分別為290 mm、300 mm、310 mm、320 mm，對不同卸荷槽軸向位置下扭矩軸應力應變進行分析如下頁圖4所示。

圖4 不同軸向位置下沿路徑應力應變曲線

從圖4可以看出，隨著U型槽前沿角的增大，不同軸向位置下沿路徑應力應變曲線均呈現出逐步增大的趨勢，同時對比可以看出，當L0為320 mm時，此時的應力最大值為460 MPa；當L0為300 mm時，此時的應力最大值最小僅為352 MPa，較軸向位置L0=300 mm降低了108 MPa，對比不同卸荷槽軸向位置下扭矩軸應變曲線可以看出，最大的變形量出現在軸向位置L0=320 mm的位置，此時的最大變形量為3.26×10-3mm，當U型槽前沿角在0°~5°時，此時的位移變形最為劇烈，最小的變形量出現在軸向位置L0=300 mm的位置，此時的最大變形量為2.98×10-3mm，所以最佳的軸向位置L0=300 mm最佳。

3 結論

1）通過對比三種槽型應力應變云圖可以看出，三種槽型下的最大應力值均小于材料的屈服極限，同時U型槽應變值最小。

2）對比不同槽深及不同槽寬下扭矩軸的應力應變曲線可以得出，最佳的扭矩軸槽深和槽寬分別為7 mm和4 mm。

3）對比不同軸向位置下扭矩軸的應力應變曲線可以得出，當L0=300 mm時，此時的扭矩軸效果最佳。