連續采煤機扭矩軸不同類型卸荷槽性能對比分析

李 剛

（山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006）

引言

我國煤炭開采量不斷增加，開采的位置也由原來賦存簡單的煤層向賦存條件復雜的煤層不斷變化，連續采煤機是我國煤礦開采的主要設備，其能否在復雜環境下順利、穩定工作，直接影響著煤炭的開采量。由于復雜煤層中硫化鐵結核物質較多，連續采煤機一旦遇到這些物質，可能會發生悶車、過載等狀況[1]。

為了保護連續采煤機在復雜工況下的安全性，當連續采煤機處于過載或悶車狀態時，連續采煤機扭矩軸會起到保護其他元件的作用，其中扭矩軸首先過載，達到扭矩軸最大承受扭力，發生斷裂，從而切斷連續采煤機整個傳動系統。同時連續采煤機扭矩軸也不能經常性地斷裂，頻繁更換扭矩軸也會使連續采煤機的工作效率降低。因此扭矩軸的可靠性直接影響著連續采煤機的工作效率，卸荷槽作為扭矩軸中的一個重要結構，其作為扭矩軸中最薄弱的部分，也是扭矩軸功能實現的最可靠保證。

1 連續采煤機扭矩軸的結構及卸荷槽的類型

連續采煤機扭矩軸是一根起到傳遞動力的傳動軸[2]，端部是空心圓柱花鍵結構，當電機載荷超過核定載荷時，扭矩軸發生斷裂，起到保護電機的作用。扭矩軸的材料兼顧輕度和韌性兩個方面，一般選擇中碳合金鋼，經過淬火及回火熱處理工藝，要求布氏硬度（HB）280～320。在設計扭矩軸時，還會在軸上加工卸荷槽，卸荷槽處會產生應力集中，是主要的斷裂部位。

通過分析目前常見連續采煤機的扭矩軸設計，有三種卸荷槽較為常用，分別是U 型、工型、V 型，如圖1 所示。

圖1 卸荷槽U 型、工型、V 型結構

2 扭矩軸的有限元分析

2.1 有限元分析思路與方法

有限元法是通過求偏微分方程近似解的一種方法。它是通過將模型進行連續變分，使其成為數目有限的小單元，假設小單元組成的集合體就是原始模型。每個小單元內選擇合適的節點作為函數的差值點，將微分方程的變量改成各變量導數的節點值，借助加權余量法，從無限維空間轉化到有限維空間，將連續體變為有限離散體。此方法類似于將多段短小直線連接近似于圓形的思路，將總方程式求解域由多個相互聯系的子解域組成，推斷出滿足條件，得出最終近似解。

2.2 扭矩軸的靜力學分析

靜力學分析的研究對象是離散劃分的，通過對小單元的邊界及力學分析，每個小單元在整體對象下受力方程不同，在外力作用時會產生小的位移，這可以用來分析整體對象的結構剛度，同時單元體的應力應變加起來也反映了結構的強度。靜力學分析是一種不考慮慣性和阻尼效應的受力分析方法，它的前提是假定載荷和響應是固定不變或者變化緩慢的[3]。

2.3 扭矩軸的ABAQUS 分析

ABAQUS 有限元分析軟件有強大的單元網格庫，能夠處理復雜的對象。使用其分析主要分三步，具體為：第一，建立有限元模型；第二，模型運算分析；第三，分析結果的后處理，可以通過云圖來顯示結果。

想要達到分析與實際相吻合的效果，必須結合扭矩軸的使用環境來選擇材料，扭矩軸在使用時應對多變的載荷變化，具有抗疲勞、抗沖擊的性能，還要有一定的硬度，一般可選低碳鋼。通過參考生產廠家資料，選取42CrMo 作為模型材料。該材料的泊松比為0.3，彈性模量為210 GPa，屈服應力設置為900 MPa。

扭矩軸使用中最主要的參數是扭矩值，所能傳輸的最大扭矩首先要大于電機啟動時的最大轉矩，還要保證扭矩軸不在瞬時超過最大承載扭矩時就發生斷裂。另外，最大載荷還要滿足適應電機正常運行工況的可靠度。綜合考慮選取電機額定扭矩的2.2倍作為扭矩軸的最大轉矩。根據電機功率及轉速，計算所施加的扭矩為7 200 N·m。

本文使用SolidWorks 進行扭矩軸的模型建立，通過X_T 格式文件導入ABAQUS 中。將模型工作環境切換至property 模塊，進行創建材料、截面、指派截面等操作，對模型賦予材料。

之后通過Assembly 模塊和Step 模塊對模型進行裝配和分析步的建立。因為扭矩軸是傳動軸，使用時其一端連接電機，另一端連接減速器。在模型中先構造一個花鍵筒套在卸荷槽附近的花鍵上，在軸心建立耦合點，模擬電機扭矩傳遞至扭矩軸的情況，以此來創建邊界條件和添加載荷。最后進行網格劃分，將扭矩軸模型離散成為有限個小單元。扭矩軸為導入的實體模型，可以直接進行網格密度劃分，選擇ABAQUS 軟件默認的網格劃分規則[4]，根據實際工況，選擇自由度為3 的小單元，但單元是一種三維固定結構，具有應力強化、大應變、大變形等能力。網格化后模型如圖2 所示。

圖2 網格化后模型

點擊submit 按鈕提交分析，有限元分析就正式開始了，等到顯示completed，則分析完成，點擊results 按鈕，界面進入visualization 模塊[5]。在此模塊中，可以通過Mises 查看應力云圖、應變云圖等。三種不同卸荷槽在同一扭矩作用下的應力、變形情況如圖3 所示。

圖3 三種類型卸荷槽應力（MPa）、變形（m）云圖

通過分析云圖，在施加同一扭矩的情況下，三種類型卸荷槽的最大應力均集中于軸徑處，且應力集中現象很明顯。其中V 型卸荷槽的應力值最大，為507 MPa，最為敏感；U 型卸荷槽的只有436 MPa；工型卸荷槽的應力值為454 MPa。由此可得，U 型卸荷槽的應力值最小。再來看變形量，U 型卸荷槽的變形量最小，這樣在實際發生斷裂時，不容易卡死連續采煤機，方便維修更換。因此，U 型卸荷槽是三種類型卸荷槽中設計最為合理的。

3 結論

本文以連續采煤機的扭矩軸為研究對象，運用ABAQUS 有限元分析方法，對不同類型卸荷槽進行了靜力學分析，通過分析同種載荷下U 型、V 型、工型三種卸荷槽的應力和變形云圖，找出卸荷槽最合理的設計為U 型卸荷槽。其使得扭矩軸既能滿足傳遞扭矩的功能，又能更好地實現斷裂卸荷作用，有效地保護了連續采煤機的電機，而且因其變形量小，對于更換或維修效率也有很大提高，可以很好地改善連續采煤機的工作效率，適應更復雜的采煤工況。但本文對于卸荷槽的研究尚處于初級水平，后續還需在U 型卸荷槽的具體尺寸方面作進一步研究，更好地為煤礦行業服務。