梁 廣

(西山煤電集團(tuán) 馬蘭礦，山西 古交 030200)

對(duì)采煤機(jī)截割部扭矩軸的改進(jìn)研究

梁 廣

(西山煤電集團(tuán) 馬蘭礦，山西 古交 030200)

針對(duì)采煤機(jī)截割部扭矩軸存在剪切槽，容易損壞的缺點(diǎn)，提出了改進(jìn)方案，對(duì)扭矩軸進(jìn)行了改進(jìn)。新的扭矩軸去掉了剪切槽，改為端齒結(jié)構(gòu)，并設(shè)置了限位板。改進(jìn)后，在采煤機(jī)截割部維護(hù)過(guò)程中，只需定期更換限位板即可，無(wú)需經(jīng)常更換扭矩軸，節(jié)省了維護(hù)成本和維修時(shí)間。經(jīng)過(guò)對(duì)改進(jìn)后的扭矩軸進(jìn)行理論上的分析論證，得出了改進(jìn)方案是可行的。

采煤機(jī)；截割部；端齒結(jié)構(gòu)；限位板；扭矩軸

采煤機(jī)是煤礦開(kāi)采中最常見(jiàn)的設(shè)備之一，對(duì)于煤礦的正常開(kāi)采起著非常關(guān)鍵的作用。在生產(chǎn)中，采煤機(jī)截割部的扭矩軸經(jīng)常發(fā)生損壞，特別是在一些含夾矸較多的煤層的開(kāi)采過(guò)程中，扭矩軸更容易損壞。扭矩軸價(jià)格不菲，頻繁更換扭矩軸會(huì)增加企業(yè)成本，不利于節(jié)能降耗。

1 扭矩軸易于損壞的原因分析

要解決扭矩軸經(jīng)常損壞的問(wèn)題，首先要找到損壞的原因。目前最常見(jiàn)的采煤機(jī)搖臂輸入端的示意圖見(jiàn)圖1. 根據(jù)圖1可以看出，采煤機(jī)上的動(dòng)力傳輸為三相異步電動(dòng)機(jī)2將動(dòng)力傳遞給扭矩軸1，扭矩軸一端連接電動(dòng)機(jī)，另一端連接搖臂傳動(dòng)部件，這樣扭矩軸1就將電動(dòng)機(jī)2的動(dòng)力傳遞給搖臂內(nèi)部的傳動(dòng)件。

由于扭矩軸是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的軸結(jié)構(gòu)，其中部還有一個(gè)剪切槽，這使得它成為采煤機(jī)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)薄弱的部件，很容易發(fā)生損壞，特別是當(dāng)傳動(dòng)部件載荷較大時(shí)，被損壞的幾率就更大。在實(shí)際工作中，由于煤層中含有一定量的夾矸，再加上操作的原因，難免存在偶爾過(guò)載。因此，扭矩軸斷裂的情況時(shí)有發(fā)生。

1—扭矩軸 2—三相異步電機(jī) 3—齒輪 4—搖臂殼體圖1 采煤機(jī)搖臂輸入端示意圖

2 改進(jìn)方案

為解決扭矩軸易于損壞的問(wèn)題，通過(guò)研究，對(duì)扭矩軸的結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)措施，見(jiàn)圖2. 該方案將原來(lái)的剪切槽改為端齒結(jié)構(gòu)，并在結(jié)構(gòu)的右端設(shè)置一個(gè)限位板。改進(jìn)后的扭矩軸具有過(guò)載保護(hù)功能，其原理如下：利用端齒盤(pán)傳遞扭矩時(shí)，齒間作用力存在一個(gè)軸向分力，當(dāng)過(guò)載時(shí)，軸向分力產(chǎn)生的剪切應(yīng)力會(huì)將限位板剪斷，端齒就會(huì)脫開(kāi)，從而斷開(kāi)傳動(dòng)鏈。改進(jìn)后，在采煤機(jī)維護(hù)中只需定期更換圖2中的限位板即可，可以大大節(jié)省成本。

1—帶端齒的扭矩軸 2—齒輪 3—限位板圖2 端齒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 端齒盤(pán)幾何參數(shù)設(shè)計(jì)

端面齒結(jié)構(gòu)通常用于各類分度機(jī)構(gòu)中。目前，端齒盤(pán)的設(shè)計(jì)選型可供參考的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè)：JB/T 3242-1993和JB/T 4316.1-2011. 前者將端齒作為聯(lián)軸器使用，但其規(guī)格過(guò)大，不適用于采煤機(jī)的設(shè)計(jì)。因此，參考JB/T 4316.1-2011標(biāo)準(zhǔn)自行設(shè)計(jì)了端齒結(jié)構(gòu)。

某公司使用的采煤機(jī)，其截割功率為500 kW，其端齒盤(pán)軸向剖面圖見(jiàn)圖3，端齒盤(pán)徑向放大圖見(jiàn)圖4. 根據(jù)其結(jié)構(gòu)圖和JB/T 3242-1993的內(nèi)容，設(shè)計(jì)端齒參數(shù)如下：

齒數(shù)Z：30，外直徑D1：75 mm，內(nèi)直徑D2：35 mm，齒傾角α：5.2°，齒形角β：25°，齒根圓角R：0.9 mm

(1)

(2)

(3)

h=0.3t=2.36mm

(4)

H=h+a+R=5.34mm

(5)

圖3 端齒盤(pán)軸向剖面圖

圖4 端齒盤(pán)徑向放大圖

4 端齒強(qiáng)度計(jì)算

設(shè)計(jì)完成后，要對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

4.1 端齒擠壓應(yīng)力計(jì)算校核

單齒齒面圓周方向力為：

(6)

式中：

T—輸入轉(zhuǎn)矩，Nm；

Dp—端齒平均直徑，mm；

Z′—有效承載齒數(shù)，考慮接觸不均載性。

截割電機(jī)輸入功率500 kW，輸入轉(zhuǎn)速1 475 r/min.

(7)

(8)

Z′=7Z/12=17.5

(9)

將(9)代入(6)，得到

Ft=6 726.83N

(10)

齒面壓力：

(11)

式中：

ρ—摩擦角，(°)，鋼對(duì)鋼可取5.71.

接觸面積：

A=HB/cosβ

(12)

齒寬：

(13)

齒面擠壓應(yīng)力：

σp=FK/A=99.6MPa

(14)

式中：

K—工況系數(shù)，取1.5.

設(shè)計(jì)用42CrMo作為扭矩軸的材料，其σs=650 MPa

(15)

σp=99.6 MPa<[σp]成立，滿足使用要求。

4.2 端齒彎曲應(yīng)力計(jì)算校核

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將齒根界面簡(jiǎn)化為矩形，端齒平均半徑對(duì)應(yīng)的節(jié)線上齒厚為：

(16)

齒根厚：

lg=lm+2(H-h)tanβ=5.65mm

(17)

對(duì)應(yīng)齒根彎曲應(yīng)力：

(18)

式中：

M—圓周方向力產(chǎn)生的彎矩；

W—軸向截面模量。

(19)

材料選42CrMo，σb=900 MPa.

(20)

σb=401.5 MPa<[σb]，所以滿足使用。

綜合以上結(jié)論，端齒結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足截割功率500 kW搖臂的使用要求。

4.3 限位板剪切應(yīng)力計(jì)算

端齒產(chǎn)生總的軸向力：

(21)

限位板剪切圓d1=45 mm，板厚h1=3 mm.

剪切應(yīng)力：

(22)

式中：

K1—過(guò)載系數(shù)，根據(jù)行業(yè)推薦值，取2.5. 根據(jù)計(jì)算剪切應(yīng)力，選擇對(duì)應(yīng)的纖維板材料。

5 有限元分析驗(yàn)證

利用Pro/E建立三維模型，為簡(jiǎn)化分析取單齒進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證。單齒加F=7 814.1 N，查看其等效應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)圖5. 由圖5可以看出，齒根處最大等效應(yīng)力為352.42 MPa，而42CrMo的許用彎曲應(yīng)力為600 MPa，最大等效應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力。

圖5 有限元分析得到的端齒的等效應(yīng)力圖

6 結(jié) 論

1) 針對(duì)采煤機(jī)截割部扭矩軸存在剪切槽，容易損壞的缺點(diǎn)，提出了改進(jìn)方案，對(duì)扭矩軸進(jìn)行了改進(jìn)。新的扭矩軸去掉了剪切槽，改為端齒結(jié)構(gòu)，并設(shè)置了限位板。改進(jìn)后，在采煤機(jī)截割部維護(hù)過(guò)程中，只需定期更換限位板即可，無(wú)需經(jīng)常更換扭矩軸，節(jié)省了維護(hù)成本和維修時(shí)間。

2) 對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)，并且從理論上進(jìn)行了分析論證，為此結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

[1] 陳懷國(guó).基于Pro/ENGINEER的端面齒精確建模[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2008(5)：96-98.

[2] 王全先，葉寧軍，湯 偉.聯(lián)軸器法蘭端面齒的設(shè)計(jì)及有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28(11)：43-46.

Study on Improvement of Torque Shaft of Cutter in Coal Mining Machine

LIANG Guang

Aiming at the shortcomings in the cutting part of the shear shaft, which is usually inclined to damage during operation, an improved scheme is proposed for the torque shaft. The improvement on torque shaft is carried out with the shear slot being removed, gear connection applied, and positioning plate being set. The transformation made the maintenance work more convenient, no frequent torque shaft replacement are needed except for the positioning plate in regular term, maintenance cost reduced and time saved. Theoretical analysis shows that the improved scheme is feasible.

Coal mining machine; Cutting part; Gear structure; Positioning plate; Torque shaft

2017-05-07

梁 廣(1981—)，男，山西昔陽(yáng)人，2013年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦機(jī)電管理工作(E-mail)szp6356@163.com

TD421.6

B

1672-0652(2017)06-0054-03