采煤機截割部扭矩軸結構形式設計與優(yōu)選

柴朝帥

（山西焦煤 西山煤電斜溝礦，山西 呂梁 033602）

1 概 況

煤炭是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要資源之一，近年來隨著機械化智能化開采的應用，煤礦生產效率越來越高，同時也對煤礦機械性能提出了更高的要求。采煤機作為煤炭開采的關鍵設備，其工作環(huán)境條件惡劣，可靠性要求很高。截割部作為采煤機的組成部件，采煤過程中截割部直接承受著切割煤巖產生的交變載荷。為了避免過巖或夾矸引起截割電機過載導致截割電機憋住損毀，會在截割電機與主傳動系統(tǒng)之間設置扭矩軸，除了傳動功能外，截割部過載時扭矩軸會斷裂，從而起到過載保護的作用。但是在采煤機實際工作過程中，經(jīng)常出現(xiàn)扭矩軸過載不斷裂的現(xiàn)象，未發(fā)揮過載保護的功能；還有時候出現(xiàn)未過載但扭矩軸斷裂的情況，直接影響采煤機的正常工作。基于斜溝煤礦MG900/2210-GWD 型采煤機截割部扭矩軸，運用有限元仿真分析方法，開展采煤機扭矩軸結構形式設計與優(yōu)選工作。

2 截割部扭矩軸卸荷槽結構形式

采煤機截割部扭矩軸工作過程中不僅其過載保護的作用，還起運動和動力傳動的作用。截割部扭矩軸的常見結構形式端頭為空心圓柱直齒漸開線花鍵結構，以花鍵套配合實現(xiàn)動力的傳動。截割部在截割煤炭的時候，一旦出現(xiàn)截割滾筒過載超出扭矩軸額定承載負荷時，扭矩軸就會斷裂，保護截割電機，避免電機燒毀。為了實現(xiàn)扭矩軸的雙重功能，會在扭矩軸靠近截割電機的一端設計卸荷槽，過載時卸荷槽位置優(yōu)先斷裂，以此保護截割電動與截割部傳動系統(tǒng)。卸荷槽的結構形式包括三種，分別為U 型、V 型、I 型，如圖1 所示。為了驗證哪一種卸荷槽結構更適合MG900/2210-GWD 型采煤機，運用ANSYS 仿真分析軟件開展不同結構形式卸荷槽強度分析，為采煤機優(yōu)選出合適的扭矩軸卸荷槽結構形式，以提高采煤機工作的可靠性。

圖1 卸荷槽結構形式Fig.1 Structure form of unloading groove

3 扭矩軸強度分析

3.1 三維模型

截割部扭矩軸強度分析采用ANSYS 仿真分析方法，建立扭矩軸三維模型，雖然ANSYS 仿真分析軟件可以完成扭矩軸三維模型建立，但是相較于常用的三維建模軟件SolidWorks、Pre/E 等操作流程較為復雜，因此此次扭矩軸三維模型采用SolidWorks 完成，卸荷槽的直徑尺寸為55 mm，另存為.igs 中間格式之后導入ANSYS 仿真分析軟件。

3.2 材料屬性與網(wǎng)格劃分

完成扭矩軸三維模型建立之后需要在ANSYS仿真分析軟件中進行前處理，完成扭矩軸材料屬性的設置和網(wǎng)格結構的劃分。根據(jù)實際情況，MG900/2210-GWD 型采煤機扭矩軸材料為40Cr，彈性模量E=211 GPa，泊松比λ=0.277，屈服強度σ=785 MPa，抗剪強度為471 MPa。材料屬性參數(shù)直接在ANSYS 仿真軟件中進行設置即可。材料屬性設置完成后進行網(wǎng)格結構的劃分，扭矩軸結構較為簡單，選擇實體單元，設置扭矩軸網(wǎng)格尺寸為1 mm，之后啟動網(wǎng)格劃分工具完成扭矩軸網(wǎng)格劃分工作。

3.3 約束與載荷施加

采煤機扭矩軸工作時一端連接著截割電機輸出端，另一端連接截割部傳動系統(tǒng)輸出端，正常工作時負責動力的傳動，只有出現(xiàn)過載時才發(fā)揮扭矩軸過載保護的作用。仿真計算時固定扭矩軸的一端，在另一端設置一個扭矩。采煤機型號為MG900/2210GWD，查閱相關資料可知電動機型號為YBCS2-900，電機額定功率為900 kW，額定電壓數(shù)值為3 300 V。電動機出現(xiàn)過載時，扭矩軸需要在3～5 s 內斷開，以保護電動機。為了確保扭矩軸能夠起到過載保護，在扭矩軸上設置卸荷槽，要求卸荷槽斷裂扭矩低于電機過載時的扭矩值。通常電機過載是指超過電動機額定扭矩2.5 倍，為了更好的保護電動機，卸荷槽的最大承載扭矩不超過輸出扭矩的2.2 倍為宜。根據(jù)斜溝煤礦MG900/2210-GWD 型采煤機實際運行情況，計算得出扭矩軸施加的扭矩數(shù)值為14 500.56 N·m。

4 仿真分析結果

運用ANSYS 仿真分析軟件進行采煤機截割部扭矩軸前處理之后打開軟件內部的求解器，選擇分析結果選項，扭矩軸的主要考察內容為扭矩軸強度，此處選擇扭矩軸的等效應力分布云圖為仿真計算結果輸出。為了更好的分析不同結構形式卸荷槽對扭矩軸變形程度的影響，此處還要提取扭矩軸的等效應變分布云圖進行對比，以便確定最佳的卸荷槽結構形式。

4.1 U 型結構卸荷槽分析結果

待采煤機截割部扭矩軸靜強度分析工作完成之后提取U 型結構卸荷槽的等效應力分布云圖和等效變形分布云圖，分別如圖2 和圖3 所示。由圖2的等效應力分布云圖可以看出，U 型結構卸荷槽最大載荷工況下工作時的最大剪切應力數(shù)值為469.4 MPa，相較于扭矩軸許用剪切應力471 MPa，已經(jīng)達到斷裂的臨界狀態(tài)，且U 型結構卸荷槽的應力集中處于槽底位置，集中位置的應力分布較為均勻，能夠取得很好的卸荷效果。由圖3 等效應變分布云圖可以看出，U 型結構卸荷槽的等效應變數(shù)值為3.540×10-5，位置處于U 型結構卸荷槽的底部，應變數(shù)值較小，不會對截割部傳動產生較大的波動，可以保證采煤機穩(wěn)定可靠工作。

圖2 U型結構卸荷槽等效應力分布云圖Fig.2 Equivalent stress distribution cloud diagram of type U structure unloading groove

圖3 U型結構卸荷槽等效應變分布云圖Fig.3 Equivalent strain distribution cloud diagram of U-shaped unloading groove

4.2 V 型結構卸荷槽分析結果

待采煤機截割部扭矩軸靜強度分析工作完成之后提取V 型結構卸荷槽的等效應力分布云圖和等效變形分布云圖，分別如圖4 和圖5 所示。由圖4的等效應力分布云圖可以看出，V 型結構卸荷槽最大載荷工況下工作時的最大剪切應力數(shù)值為486.6 MPa，超出了扭矩軸材料的許用應力471 MPa，且相較于U 型結構卸荷槽的等效應力分布云圖，V型結構卸荷槽應力集中位置的分布不夠均勻。因此，V 型結構卸荷槽會在未達到過載限值條件下就出現(xiàn)扭矩軸斷裂，增加采煤機運行維護成本。由圖5 等效應變分布云圖可以看出，V 型卸荷槽工作過程中的等效應變數(shù)值為3.279×10-5，與U 型結構卸荷槽的應變情況相差不大，不會對截割部傳動產生明顯的影響，可以保證采煤機穩(wěn)定可靠工作。

圖4 V型結構卸荷槽等效應力分布云圖Fig.4 Equivalent stress distribution cloud diagram of type V structure unloading groove

圖5 V型結構卸荷槽等效應變分布云圖Fig.5 Equivalent strain distribution cloud diagram of V-type structure unloading groove

4.3 I 型結構卸荷槽分析結果

待采煤機截割部扭矩軸靜強度分析工作完成之后提取I 型結構卸荷槽的等效應力分布云圖和等效變形分布云圖，分別如圖6 和圖7 所示。由圖6 的等效應力分布云圖可以看出，I 型結構卸荷槽最大載荷工況下工作時的最大剪切應力數(shù)值為462.4 MPa，應力集中數(shù)值與U 型結構卸荷槽接近，但是應力集中分布不均勻。因此，對比U 型結構卸荷槽和V 型結構卸荷槽來說，I 型結構卸荷槽的應力集中較輕，在遇到扭矩電機過載之后不會迅速出現(xiàn)斷裂，能夠可靠的傳遞動力，但由于卸荷槽應力集中分布不均，扭矩軸斷裂之后的斷裂形式不確定，可能出現(xiàn)較大的斷裂區(qū)域，影響其他傳動部件的安全工。由圖7 等效應變分布云圖可以看出，I 型卸荷槽工作過程中的等效應變數(shù)值為3.14×10-5，與U 型結構卸荷槽和V 型結構卸荷槽的應變情況相差不大，不會對截割部傳動產生明顯的影響，可以保證采煤機穩(wěn)定可靠工作。

圖6 I 型結構卸荷槽等效應力分布云圖Fig.6 Equivalent stress distribution cloud diagram of type I structure unloading groove

圖7 I 型結構卸荷槽等效應變分布云圖Fig.7 Equivalent strain distribution cloud diagram of type I structure unloading groove

4.4 分析與討論

根據(jù)圖2～圖7 不同結構形式卸荷槽仿真計算結果可以看出，U 型結構卸荷槽的應力集中情況較為適中，工作過程中不僅能夠起到保護截割電機的作用，還能夠保證截割部動力的正常傳遞，應力集中分布均勻，一旦出現(xiàn)過載斷裂，斷裂面的效果較好。V 型結構卸荷槽應力集中數(shù)值較低，使用過程中一旦出現(xiàn)很小的過載情況就會出現(xiàn)扭矩軸斷裂，不能保證扭矩的可靠傳遞，出現(xiàn)截割電機傳動效率不足的情況。對比上述兩種卸荷槽結構形式，I 型結構的卸荷槽應力集中最大，與U 型結構卸荷槽應力集中數(shù)值相當，但是應力集中分布不均勻，過載斷裂過程中會出現(xiàn)斷裂面不確定的情況，存在損傷其他零部件的可能，影響到截割機構安全與對扭轉軸的保護作用。

5 結 語

扭矩軸作為采煤機截割部正常運行的傳動構件和過載保護構件，其工作的可靠性不僅關系著采煤機的正常工作，還與采煤機的安全運行息息相關，必須引起設計者和使用者的高度重視。本文基于斜溝煤礦MG900/2210-GWD 型采煤機截割部扭矩軸進行研究，運用有限元仿真方法，對3 種卸荷槽結構形式下扭矩軸的設計與靜強度進行了分析，結果表明，U 型結構卸荷槽應力集中分布情況比較均勻，且數(shù)值合適，可以滿足應用要求；V 型結構卸荷槽破斷應力數(shù)值較小，一旦出現(xiàn)輕微過載就會斷裂，過載保護功能較弱；I 型結構的卸荷槽應力與U 型結構相似，但應力集中分布不均勻，過載斷裂斷面不確定，存在斷裂影響其他傳動結構安全的可能。綜合上述，U 型結構卸荷槽能夠起到很好的傳動和過載保護效果，是采煤機截割部扭矩軸較為理想的結構形式。