閆云飛

（同煤集團(tuán)四臺(tái)礦，山西 大同 037052）

采煤機(jī)通過(guò)其截割部分的機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)煤層進(jìn)行截割，對(duì)于不同的開(kāi)采煤層，截割部件在工作時(shí)受到的沖擊負(fù)荷也不相同[1]，為了避免過(guò)硬巖層或夾矸石引起的采煤機(jī)截割電機(jī)過(guò)載損壞，往往采用扭矩軸來(lái)保護(hù)截割電機(jī)和主傳動(dòng)系統(tǒng)。王村煤業(yè)煤層工作面采用的是MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機(jī)，在實(shí)際運(yùn)行中，因截割電機(jī)過(guò)載而扭矩軸沒(méi)有斷裂，導(dǎo)致截割電機(jī)燒毀的情況時(shí)有發(fā)生，即扭矩軸對(duì)電機(jī)的保護(hù)效果并不穩(wěn)定。本文以王村煤業(yè)該型電牽引采煤機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行采煤機(jī)截割部扭矩軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。。

1 采煤機(jī)截割部電機(jī)燒毀原因分析

王村煤業(yè)山4#層?xùn)|盤(pán)區(qū)8106工作面煤層埋深較深，該開(kāi)采面總面積為92858.4m2，對(duì)應(yīng)地表在狼叫北坡、香建溝東南、后家溝西南溝梁一帶，煤層中混有較多的過(guò)硬巖層和夾矸石，開(kāi)采環(huán)境不利于采煤機(jī)運(yùn)行。2017年底至2018年7月份以來(lái)，8106工作面MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機(jī)出現(xiàn)了兩次由于負(fù)載超載導(dǎo)致的截割電機(jī)燒毀現(xiàn)象。該煤型電牽引采煤機(jī)，截割部扭矩軸實(shí)際上是一根兩端具有空心圓柱直齒漸開(kāi)線花鍵結(jié)構(gòu)的軸，用于截割電機(jī)動(dòng)力的傳遞。技術(shù)攻關(guān)小組對(duì)發(fā)生電機(jī)燒毀故障的采煤機(jī)研究發(fā)現(xiàn)，雖然扭矩軸發(fā)生斷裂，但根據(jù)斷裂裂口的不規(guī)則形式判斷，電機(jī)燒毀原因是扭矩軸在達(dá)到設(shè)計(jì)扭矩值時(shí)沒(méi)有及時(shí)斷裂，直至電機(jī)異常運(yùn)作產(chǎn)生振動(dòng)，才使扭矩軸斷裂，即扭矩軸并沒(méi)有起到保護(hù)電機(jī)超載的作用。扭矩軸斷裂處如圖1所示。

圖1 扭矩軸的斷裂裂口實(shí)物圖

2 采煤機(jī)截割部扭矩軸優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2.1 材料選擇優(yōu)化

MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機(jī)上安裝配置的截割電機(jī)型式為單出軸、定子水冷、防爆型，其電機(jī)額定功率為P=930kW，額定轉(zhuǎn)速N=1470r/h，額定扭矩T=9550×P/N=6041.8N·m。扭矩軸要求在該三相異步電動(dòng)機(jī)扭矩達(dá)到一定倍數(shù)時(shí)出現(xiàn)斷裂，并在電機(jī)扭矩未達(dá)到臨界值時(shí)，扭矩軸不發(fā)生任何形式的斷裂。根據(jù)以上分析，為了避免扭矩軸發(fā)生斷裂失效，扭矩軸在材料選擇和制造工藝上進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：在材料選擇和熱處理工藝選擇時(shí)，主要考慮了其對(duì)扭矩軸強(qiáng)度和韌度的影響。本設(shè)計(jì)采煤機(jī)扭矩軸制造材料選擇中碳鋼合金40Cr；對(duì)材料的熱處理在參考其尺寸與強(qiáng)度要求下，采用淬火及中溫回火熱處理工藝，調(diào)質(zhì)硬度為310-350HB。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

影響扭矩軸功能實(shí)現(xiàn)的重要位置是扭矩軸的卸荷槽，而電機(jī)的扭矩在不超過(guò)其額定扭矩2.5倍時(shí)，不會(huì)因扭矩增大而導(dǎo)致電機(jī)線圈的突然燒壞[2]，因此考慮到安全系數(shù)，本文選取卸荷槽承載電機(jī)扭矩極限為2.47倍的電機(jī)扭矩，即14923.2N·m。扭矩軸卸荷槽采用U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相比I型和V型結(jié)構(gòu)，U型卸荷槽的抗扭矩變形優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)。U型卸荷槽示意圖如圖2所示。

圖2 扭矩軸U型卸荷槽示意圖

確定了卸荷槽的結(jié)構(gòu)后，卸荷槽的寬度是扭矩軸斷裂速度的一個(gè)重要影響因素。應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大扭矩軸卸荷槽部位的直徑，以提高扭矩軸的抗扭強(qiáng)度[3]，即要求扭矩在（2.47倍）14923.2N·m時(shí)能夠及時(shí)斷開(kāi)。U型卸荷槽的最小直徑是影響其斷裂保護(hù)電機(jī)性能的重要參數(shù)，通過(guò)研究不同U型卸荷槽最小直徑下，應(yīng)力集中截面的最大應(yīng)力的分布數(shù)值與分布情況，來(lái)確定MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機(jī)截割部扭矩軸U型卸荷槽最小直徑。應(yīng)力變化和應(yīng)變是檢驗(yàn)扭矩軸的重要參數(shù)，對(duì)比的U型卸荷槽最小直徑為55mm、57mm和59mm，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同直徑U型卸荷槽截面性能參數(shù)對(duì)比

從表1結(jié)果可以看出，在一定負(fù)載下，隨著卸荷槽最小直徑的增大，U型卸荷槽最小直徑截面處應(yīng)力也在增大，這有助于在過(guò)載情況下扭矩軸的斷裂，從而保護(hù)截割電機(jī)。但對(duì)比三種不同尺寸的卸荷槽發(fā)現(xiàn)，55mm和59mm的U型卸荷槽在負(fù)載下，應(yīng)力分布均勻，57mmU型卸荷槽的應(yīng)力則很好的分布在最小截面處，應(yīng)力集中的扭矩軸在發(fā)生斷裂時(shí)，斷裂截面相比應(yīng)力不集中的斷面更加整齊，即從應(yīng)力角度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，57mm的U型卸荷槽扭矩軸更符合使用要求。

應(yīng)變指的是扭矩軸在一定外力下，局部發(fā)生的相對(duì)變形。對(duì)于采煤機(jī)截割部扭矩軸，應(yīng)變應(yīng)相對(duì)較小[4]。對(duì)比三種尺寸的卸荷槽，在同樣的外力負(fù)載情況下，應(yīng)變程度逐漸減小。對(duì)于本文選擇的材料中碳鋼合金40Cr，以上應(yīng)變程度即抗變形能力都能很好滿足保護(hù)MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機(jī)截割部電機(jī)的要求。最終，本優(yōu)化方案選取了最小截面直徑為57mm的U型卸荷槽扭矩軸的結(jié)構(gòu)。

3 優(yōu)化后扭矩軸在王村煤業(yè)的應(yīng)用

根據(jù)以上優(yōu)化方案，技術(shù)攻關(guān)小組對(duì)MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機(jī)的截割部扭矩軸進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)優(yōu)化與制造。自2018年8月將優(yōu)化后的扭矩軸投入使用至今，采煤工作面開(kāi)采遇到三次過(guò)硬巖層或夾矸石，在截割電機(jī)負(fù)載出現(xiàn)超載時(shí)，優(yōu)化后的扭矩軸都能夠及時(shí)斷裂，完美實(shí)現(xiàn)保護(hù)電機(jī)的功能，電機(jī)沒(méi)有出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象。優(yōu)化后的扭矩軸如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后U型卸荷槽扭矩軸圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)采煤機(jī)扭矩軸作用原理的介紹，主要針對(duì)MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機(jī)的電機(jī)扭矩軸制造材料、成型工藝以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)試驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用，形成以下結(jié)論：

（1）對(duì)王村煤業(yè)MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機(jī)截割部電機(jī)出現(xiàn)超載燒毀的原因進(jìn)行了分析，通過(guò)斷裂扭矩軸的裂口形式，確定電機(jī)燒毀是由于扭矩軸失效所致；

（2）對(duì)MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機(jī)截割部扭矩軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)分析該型采煤機(jī)截割電機(jī)額定扭矩，考慮到安全系數(shù)，設(shè)計(jì)扭矩軸制造材料為中碳鋼合金40Cr，采用淬火及中溫回火熱處理工藝，調(diào)質(zhì)硬度為310-350HB；

（3）在扭矩軸卸荷槽優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)常見(jiàn)的三種卸荷槽形式進(jìn)行了對(duì)比，卸荷槽的U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)于I型和V型結(jié)構(gòu)。對(duì)不同最小橫截面直徑的U型卸荷槽在相同負(fù)載情況下的應(yīng)力大小、應(yīng)力集中情況以及應(yīng)變程度性能進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明55mm、57mm和59mm的U型卸荷槽在負(fù)載情況下，應(yīng)力和應(yīng)變程度逐漸增大，但57mm的U型卸荷槽應(yīng)力集中分布在最小截面處，斷裂截面將更加整齊，表明57mm的U型卸荷槽在性能方面優(yōu)于其他兩種。

（4）王村煤業(yè)使用改造扭矩軸后的MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機(jī)已完成近3km的深部采煤。經(jīng)過(guò)一年多的實(shí)際驗(yàn)證，該扭矩軸優(yōu)化方案實(shí)施效果良好，具有很大推廣意義。