王 帥

（晉能控股煤業(yè)集團雁崖煤業(yè)公司安監(jiān)站，山西 大同 037000）

引言

我國作為煤炭資源的消耗大國，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，不僅對煤炭資源的需求量在不斷攀升，而且對礦井安全和生產(chǎn)效率均有了更高的要求，但是伴隨著煤炭開采的深度加深，環(huán)境更加惡劣，所面臨的安全風(fēng)險愈發(fā)的不可控，因此，需要進一步提升開采機械的本質(zhì)安全管理水平，從制度管理方面與設(shè)備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方面要進行加強[1]。采煤機扭矩軸作為本質(zhì)安全機構(gòu)的關(guān)鍵部件，日常生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了保護不足或者不保護等安全問題，對礦井的生產(chǎn)效率造成了影響，甚至對一線工人的生命造成了危險。正常的扭矩軸在受到過度載荷力后就會發(fā)生扭斷，使得電動機與受傳動部件發(fā)生脫離，因此，為了使得扭矩軸能夠更好地服務(wù)于機械設(shè)備的本質(zhì)安全管理，對扭矩軸結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。以U型槽扭矩軸為研究對象，通過對該型扭矩軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為礦井機械設(shè)備關(guān)鍵零部件的設(shè)計優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 U型槽扭矩軸失效形式分析

1.1 技術(shù)分析參數(shù)概要

MG100/1110-GWD型采煤機是多個電機同時驅(qū)動的采煤機械，通過礦井電網(wǎng)直接輸送電能，能夠?qū)崿F(xiàn)交流變頻調(diào)速。該型號采煤機的總功率為2 210 kW，工作面的額定高度為2 710 mm，比較適用于中厚煤層的開采作業(yè)，采高高度約為4.50 m，但適用的煤層傾角范圍不大，一般低于15°[2]。該型采煤機在作業(yè)時要求工作面頂板穩(wěn)定，不能過于松軟。分段區(qū)的工作面長度不得大于200 m[3]。

該型采煤機的電機型號為YACS2-110，截割電機的輸出軸與扭矩軸進行裝配時，通常會在扭矩軸上開槽卸荷，通過U型槽產(chǎn)生缺口效應(yīng)，當(dāng)載荷力較大時，就會在開槽處的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生斷裂，從而對電機進行保護。

1.2 扭矩軸失效形式

U型槽扭矩軸在受到外力載荷因素影響后，失效形式主要分為兩類，一類為完全喪失使用功能；另一類為部分結(jié)構(gòu)受損導(dǎo)致功能不齊全或者性能下降，存在安全隱患。扭矩軸的失效現(xiàn)象主要為斷裂、腐蝕、磨損以及變形失效[4]。當(dāng)截割電機兩端傳輸?shù)呐ぞ財?shù)值差較大時，就會在U型槽部位處發(fā)生應(yīng)力破壞的斷裂，形式分為韌性失效、脆性失效和疲勞斷裂失效，扭矩軸將受到切應(yīng)力的作用，最大應(yīng)力方向與軸線成45°，在扭矩軸表面向軸心內(nèi)發(fā)生剪切破壞，如圖1所示。

圖1 扭矩軸扭轉(zhuǎn)過載斷口示意圖

同時扭矩軸受到交變載荷過程中沒有發(fā)生斷裂，但隨著長時間周期反復(fù)循環(huán)載荷作用，結(jié)構(gòu)從最初的彈性變形到塑性變形，最后發(fā)生結(jié)構(gòu)的破壞[5]。受到扭矩作用的結(jié)構(gòu)不與料本身相關(guān)，還與截面的抗截面系數(shù)有關(guān)。根據(jù)工程上扭矩軸斷口形式，可對U型槽型的尺寸進行優(yōu)化，改變斷口處的內(nèi)外徑尺寸分配比，有效地化解扭轉(zhuǎn)應(yīng)力所帶來的破壞作用，能夠確保電機扭矩傳輸?shù)膭恿Γ⑶以谶^載時發(fā)生槽型結(jié)構(gòu)斷裂以保護各零部件。

2 U型槽扭矩軸有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

利用SolidWorks三維圖形軟件對U型槽扭矩軸的模型進行建立，模型將根據(jù)實際結(jié)構(gòu)1∶1的比例建成。為了提升有限元計算效率，將結(jié)構(gòu)不重要的零碎結(jié)構(gòu)進行去除，并且將部分結(jié)構(gòu)弧度較大的倒角轉(zhuǎn)化為直角結(jié)構(gòu)。由于U型槽扭矩軸為單一結(jié)構(gòu)部件，U型槽扭矩軸三維模型應(yīng)為一體化整體結(jié)構(gòu)，采用獨立的模型坐標(biāo)系，如圖2所示。

圖2 U型槽扭矩軸三維模型圖

2.2 有限元模型建立及參數(shù)設(shè)置

采用ABAQUS軟件作為U型槽扭矩軸受力計算的仿真軟件。該軟件能夠與SolidWorks建模軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且針對于復(fù)雜非線性的應(yīng)力狀態(tài)計算有較強的性能。將圖2中的三維模型導(dǎo)入至ABAQUS軟件進行網(wǎng)格劃分并設(shè)置計算參數(shù)與邊界條件。根據(jù)扭矩軸受力狀態(tài)，將網(wǎng)格設(shè)置為自由度為3的4面體5節(jié)點網(wǎng)格單元，扭矩軸仿真模型網(wǎng)格數(shù)目為121 478，節(jié)點數(shù)為371 651，如圖3所示。

圖3 U型槽扭矩軸仿真計算模型圖

扭矩軸具有傳動和過載保護的雙向功能，其材料的選擇非常重要。為滿足實際生產(chǎn)需要，合理地選擇扭矩軸材料，選取U型槽扭矩軸的制作材料為40Cr，該材料的抗疲勞，抗沖擊性能較強，同時具有一定的硬度，其彈性模量為211 GPa，泊松比為0.3，質(zhì)量密度7 800 kg/m3，抗剪模量83 GPa，屈服強度785 MPa。根據(jù)MG100/1110-GWD型采煤機輸出動力參數(shù)，該型號采煤機截割部的三相異步電動機的扭矩軸在發(fā)生嚴(yán)重過載時，即轉(zhuǎn)矩過載倍數(shù)達到一定倍數(shù)時，扭矩軸需在3~5 s內(nèi)斷開，以保護電動機[6]。根據(jù)扭矩公式計算出U型槽扭矩軸將承受14 146.56 N·m的扭矩。

由于U型槽扭矩軸是安裝與零部件與電動機兩端的軸承內(nèi)，因此在扭矩軸套筒部位應(yīng)保持固定不動，在x、y、z軸三個方向施加自由度約束。按照計算結(jié)果，對扭矩軸施加14 146.56 N·m的扭矩作用，使得U型槽扭矩軸能夠符合實際的工況受力條件。U型槽扭矩軸的開槽部位應(yīng)力分布狀況如圖4所示。

圖4 U型槽應(yīng)力（MPa）分布圖

現(xiàn)有結(jié)構(gòu)U型槽的最小直徑為55 mm，最大應(yīng)力為83.27 MPa，在U型槽的凹口處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易在沒有達到保護載荷數(shù)值之前就發(fā)生槽口斷裂，嚴(yán)重削弱了扭矩軸的保護性能，容易發(fā)生不平整的截面斷裂。因此應(yīng)該對U型槽的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化。

3 U型槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析

采用ABAQUS軟件優(yōu)化模塊，U型槽結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力作為優(yōu)化目標(biāo)值，設(shè)定U型槽材料與尺寸作為參數(shù)變量，導(dǎo)入至軟件模塊進行優(yōu)化求解。對比分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的U型槽相比于原始結(jié)構(gòu)在應(yīng)力方面的提升效果，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后U型槽應(yīng)力（MPa）分布圖

圖5是經(jīng)過改良之后的扭矩軸仿真分析應(yīng)力云圖，其橫截面最小直徑為由55 mm增加至57 mm，應(yīng)力集中截面最大應(yīng)力為95.51 MPa，其應(yīng)力集中現(xiàn)象有所減弱，在能夠保護截割部的前提下，能夠承受最大載荷多產(chǎn)生的應(yīng)力，且斷裂后形成的斷裂面效果更好。因此，U型槽部位直徑從55 mm增加到57 mm，其橫向尺寸增加時，其應(yīng)力集中減弱，更加貼近電機的安全倍數(shù)，可以滿足要求，且應(yīng)力集中截面整齊即可實現(xiàn)整齊的斷裂口，保證最大效率的傳動。

4 結(jié)語

為了保證煤炭開采過程中的安全性，各類開采機械設(shè)備的安全可靠性尤為重要。其中采煤機作為礦井機械的關(guān)鍵設(shè)備，受到了來自地質(zhì)、煤層結(jié)構(gòu)、外部環(huán)境因素的不利影響。采煤機的各個零部件受到了極大的工作考驗，尤其是作為采煤機過載時保護零部件的扭矩軸結(jié)構(gòu)時常發(fā)生工作故障。為了提高扭矩軸結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全性，以U型槽扭矩軸為研究對象，針對U型槽的槽口部位尺寸進行了優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)仿真軟件的優(yōu)化結(jié)果，槽口部位的最小直徑55 mm增加至57 mm。U型槽的槽口截面所能承受的最大應(yīng)力增大，并且避免了應(yīng)力集中部位的產(chǎn)生，極大地提高了扭矩軸作為過載保護零部件的工作性能。