采煤機扭轉軸卸荷槽最佳尺寸研究

王亞川

（山西凌志達煤業有限公司，山西 長治 046000）

引言

我國煤炭資源分布十分廣泛，整體儲量較大。近幾年，隨著我國國民經濟快速發展，對煤礦能源的需求量持續增加。據不完全統計表明，煤炭行業作為我國的支柱產業，其在我國一次能源消耗占比中超過75%，同時煤炭資源為我國提供約75%的工業燃料、80%的商品能源及76%的發電燃料。所以為了響應快速增長的煤炭需求，對礦井進行高效可持續開采十分重要。采煤機作為礦井采掘的重要設備，其在煤礦開采中起到的作用可謂舉足輕重，目前國內外使用較廣的采煤機多為滾筒式采煤機，其有著高效采煤、安全采煤的優點。在進行煤巖截割過程中，由于巖層及工況環境使得采煤機極易出現載荷過大的情況，當電機過載時，此時采煤機的齒輪傳動系統會發生損壞，甚至損傷電機，導致采煤機工作效率受到影響。國內外現有的采煤機截割部均采用扭轉軸傳動起過載保護的作用[1-2]。扭轉軸是采煤機內部傳動過載保護裝置，其一端連接，另一端與傳動系統進行連接。一旦截割電機出現較大載荷，扭轉軸就會在卸荷槽位置及時出現斷裂，迅速保護截割電機[3-4]。在實際應用過程中，扭轉軸斷裂扭矩值及結構設定不同會影響一定的使用，所以本文對扭轉軸進行研究，為采煤機安全、高效運行提供有利條件。

1 模型建立

應力集中效應是一種由于構件截面尺寸發生突變，使得截面出現局部應力增大現象。截面尺寸相同的情況下，應力勻分布較為平均。在構件溝槽、孔、凸起等部位由于截面尺寸突然發生變化，使得局部應力突變，造成構件發生損壞，應力集中也是影響構件壽命的主要因素。應力集中不光對構件有著負面的影響，其也存在一定的好處，通過合理地利用應力集中現象起到保護構件的效果，扭轉軸的卸荷槽正是利用應力集中的原理，通過在扭轉軸上設置凹槽，使得其在凹槽位置出現截面尺寸的突變，從而使得在截面位置（卸荷槽）出現應力集中，從而達到及時斷裂，保護采煤機截割電機的作用，本文利用數值模擬軟件對扭轉軸卸荷槽進行分析，首先進行采煤機扭轉軸的模型建立。

對模型進行建立，在進行模型建立時首先利用NX8.0軟件進行扭轉軸的三維模型建立，后將建立的模型導入數值模擬軟件中。對模型進行物理參數的設定，設定材料為40CrNiMo，材料的彈性模量為20 900 MPa，材料的泊松比為0.295，材料密度為7 870 kg/m3，材料的抗拉強度和屈服強度分別為960 MPa、820 MPa。對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時充分考慮模擬的精度問題，本文選用軟件中自帶網格solid186六面體網格進行劃分，同時在卸荷槽部位進行網格加密處理，從而在提升模擬精度的同時不會大幅度增加模擬的時間。完成模型網格劃分后對模型的邊界條件進行設定，在扭轉軸兩端分別限定模型的位移，僅保留Z軸旋轉的自由度完成上述操作后對模型進行模擬計算。

2 模擬計算

首先對模型進行靜力學模擬，設定為2倍功率，在扭轉軸花鍵斷面設定壓強31.45 MPa，對模型進行計算，扭轉軸剪應力云圖如圖1所示。

圖1 扭轉軸剪應力云圖

由圖1可知，采煤機在運行過程中，扭轉軸主要受到扭轉的作用，所以在運行過程中，扭轉軸需要在一定荷載在進行及時斷裂，根據模擬云圖可以看出，此時在此條件下扭轉軸的最大剪切應力出現在扭轉軸的卸荷槽位置，在此位置出現的最大應力值為489.46 MPa，而根據材料斷裂扭轉強度值應當大于508 MPa，所以在此條件下材料受到的剪切應力最大值并未超過材料的斷裂強度，所以設計的扭轉軸卸荷槽并未起到效果，不能起到過載保護作用。

對不同卸荷槽參數下的扭轉軸靜力學進行分析，分別對不同U型卸荷槽圓弧半徑R值下結構靜力學云圖分析，分別選定卸荷槽R值27.5 mm、28.0 mm、28.5 mm、29.0 mm、29.5 mm、30.0 mm、30.5 mm進行研究，分別將扭轉軸卸荷槽位置的剪切應力最大值進行匯總，匯總不同卸荷槽尺寸下扭轉軸應力最大值曲線如圖2所示。

圖2 不同卸荷槽尺寸下扭轉軸應力最大值曲線

根據模擬結果將7種卸荷槽R值下的扭轉軸最大剪切應力值進行繪制，并進行擬合，擬合出如圖曲線，根據材料的斷裂強度508 MPa，代入擬合曲線，經過計算可以得出在R值為29.9 mm時，扭轉軸最大剪切應力能夠達到508 MPa，所以對卸荷槽尺寸R值29.9 mm時進行靜力學模擬分析，模擬云圖如3所示。

圖3 模擬云圖

根據圖3可以看出，模擬云圖出現應力最大值的位置仍是卸荷槽部位，此時的最大剪切應力值為508.24 MPa，此時扭轉軸受到的剪切應力超過材料的斷裂強度508 MPa，此時卸荷槽能夠及時發生斷裂，設計的扭轉軸卸荷槽能夠起到應有的效果，起到過載保護作用。

對5倍電機額定功率下不同卸荷槽參數下的扭轉軸靜力學進行分析，卸荷槽R值20 mm、21 mm、22 mm、23 mm、24 mm、25 mm、27.5 mm進行研究，分別將扭轉軸卸荷槽位置的剪切應力最大值進行匯總，匯總不同卸荷槽尺寸下扭轉軸應力最大值曲線如圖4-1所示，同時將最佳扭轉軸卸荷槽尺寸進行靜力學分析，結果如圖4-2所示。

圖4 擬合曲線及最佳尺寸模擬云圖

根據模擬結果將7種卸荷槽R值下的扭轉軸進行繪制，擬合出擬合曲線，將材料斷裂強度508 MPa代入擬合曲線，經過計算可以得出在R值為21.3 mm時，扭轉軸最大剪切應力能夠達到508 MPa，所以對卸荷槽尺寸R值21.3 mm時進行靜力學模擬分析，從靜力學云圖可以看出，當卸荷槽尺寸為21.3 mm時，此時的剪切應力最大值為510.79 MPa，在此條件下卸荷槽能夠及時發生斷裂，設計的扭轉軸卸荷槽能夠起到應有的效果，起到過載保護作用。

3 結論

1）對扭轉軸進行靜力學分析發現，原有扭轉軸在2倍電機額定功率下最大應力值為489.46 MPa，未超過材料斷裂扭轉強度值508 MPa，卸荷槽無法及時斷裂。

2）根據擬合曲線對2倍電機額定功率下不同卸荷槽尺寸下的應力進行分析發現，當R值為29.9 mm時，卸荷槽最大剪切應力為508.24 MPa，超過508 MPa，能夠及時斷裂。

3）根據擬合曲線對5倍電機額定功率下不同卸荷槽尺寸下的應力進行分析發現，當R值為21.3 mm時，卸荷槽最大剪切應力為510.79 MPa，超過508 MPa，能夠及時斷裂。