李 剛

（山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006）

引言

我國(guó)煤炭開(kāi)采量不斷增加，開(kāi)采的位置也由原來(lái)賦存簡(jiǎn)單的煤層向賦存條件復(fù)雜的煤層不斷變化，連續(xù)采煤機(jī)是我國(guó)煤礦開(kāi)采的主要設(shè)備，其能否在復(fù)雜環(huán)境下順利、穩(wěn)定工作，直接影響著煤炭的開(kāi)采量。由于復(fù)雜煤層中硫化鐵結(jié)核物質(zhì)較多，連續(xù)采煤機(jī)一旦遇到這些物質(zhì)，可能會(huì)發(fā)生悶車、過(guò)載等狀況[1]。

為了保護(hù)連續(xù)采煤機(jī)在復(fù)雜工況下的安全性，當(dāng)連續(xù)采煤機(jī)處于過(guò)載或悶車狀態(tài)時(shí)，連續(xù)采煤機(jī)扭矩軸會(huì)起到保護(hù)其他元件的作用，其中扭矩軸首先過(guò)載，達(dá)到扭矩軸最大承受扭力，發(fā)生斷裂，從而切斷連續(xù)采煤機(jī)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)連續(xù)采煤機(jī)扭矩軸也不能經(jīng)常性地?cái)嗔?，頻繁更換扭矩軸也會(huì)使連續(xù)采煤機(jī)的工作效率降低。因此扭矩軸的可靠性直接影響著連續(xù)采煤機(jī)的工作效率，卸荷槽作為扭矩軸中的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)，其作為扭矩軸中最薄弱的部分，也是扭矩軸功能實(shí)現(xiàn)的最可靠保證。

1 連續(xù)采煤機(jī)扭矩軸的結(jié)構(gòu)及卸荷槽的類型

連續(xù)采煤機(jī)扭矩軸是一根起到傳遞動(dòng)力的傳動(dòng)軸[2]，端部是空心圓柱花鍵結(jié)構(gòu)，當(dāng)電機(jī)載荷超過(guò)核定載荷時(shí)，扭矩軸發(fā)生斷裂，起到保護(hù)電機(jī)的作用。扭矩軸的材料兼顧輕度和韌性兩個(gè)方面，一般選擇中碳合金鋼，經(jīng)過(guò)淬火及回火熱處理工藝，要求布氏硬度（HB）280～320。在設(shè)計(jì)扭矩軸時(shí)，還會(huì)在軸上加工卸荷槽，卸荷槽處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，是主要的斷裂部位。

通過(guò)分析目前常見(jiàn)連續(xù)采煤機(jī)的扭矩軸設(shè)計(jì)，有三種卸荷槽較為常用，分別是U 型、工型、V 型，如圖1 所示。

圖1 卸荷槽U 型、工型、V 型結(jié)構(gòu)

2 扭矩軸的有限元分析

2.1 有限元分析思路與方法

有限元法是通過(guò)求偏微分方程近似解的一種方法。它是通過(guò)將模型進(jìn)行連續(xù)變分，使其成為數(shù)目有限的小單元，假設(shè)小單元組成的集合體就是原始模型。每個(gè)小單元內(nèi)選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為函數(shù)的差值點(diǎn)，將微分方程的變量改成各變量導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值，借助加權(quán)余量法，從無(wú)限維空間轉(zhuǎn)化到有限維空間，將連續(xù)體變?yōu)橛邢揠x散體。此方法類似于將多段短小直線連接近似于圓形的思路，將總方程式求解域由多個(gè)相互聯(lián)系的子解域組成，推斷出滿足條件，得出最終近似解。

2.2 扭矩軸的靜力學(xué)分析

靜力學(xué)分析的研究對(duì)象是離散劃分的，通過(guò)對(duì)小單元的邊界及力學(xué)分析，每個(gè)小單元在整體對(duì)象下受力方程不同，在外力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生小的位移，這可以用來(lái)分析整體對(duì)象的結(jié)構(gòu)剛度，同時(shí)單元體的應(yīng)力應(yīng)變加起來(lái)也反映了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。靜力學(xué)分析是一種不考慮慣性和阻尼效應(yīng)的受力分析方法，它的前提是假定載荷和響應(yīng)是固定不變或者變化緩慢的[3]。

2.3 扭矩軸的ABAQUS 分析

ABAQUS 有限元分析軟件有強(qiáng)大的單元網(wǎng)格庫(kù)，能夠處理復(fù)雜的對(duì)象。使用其分析主要分三步，具體為：第一，建立有限元模型；第二，模型運(yùn)算分析；第三，分析結(jié)果的后處理，可以通過(guò)云圖來(lái)顯示結(jié)果。

想要達(dá)到分析與實(shí)際相吻合的效果，必須結(jié)合扭矩軸的使用環(huán)境來(lái)選擇材料，扭矩軸在使用時(shí)應(yīng)對(duì)多變的載荷變化，具有抗疲勞、抗沖擊的性能，還要有一定的硬度，一般可選低碳鋼。通過(guò)參考生產(chǎn)廠家資料，選取42CrMo 作為模型材料。該材料的泊松比為0.3，彈性模量為210 GPa，屈服應(yīng)力設(shè)置為900 MPa。

扭矩軸使用中最主要的參數(shù)是扭矩值，所能傳輸?shù)淖畲笈ぞ厥紫纫笥陔姍C(jī)啟動(dòng)時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩，還要保證扭矩軸不在瞬時(shí)超過(guò)最大承載扭矩時(shí)就發(fā)生斷裂。另外，最大載荷還要滿足適應(yīng)電機(jī)正常運(yùn)行工況的可靠度。綜合考慮選取電機(jī)額定扭矩的2.2倍作為扭矩軸的最大轉(zhuǎn)矩。根據(jù)電機(jī)功率及轉(zhuǎn)速，計(jì)算所施加的扭矩為7 200 N·m。

本文使用SolidWorks 進(jìn)行扭矩軸的模型建立，通過(guò)X_T 格式文件導(dǎo)入ABAQUS 中。將模型工作環(huán)境切換至property 模塊，進(jìn)行創(chuàng)建材料、截面、指派截面等操作，對(duì)模型賦予材料。

之后通過(guò)Assembly 模塊和Step 模塊對(duì)模型進(jìn)行裝配和分析步的建立。因?yàn)榕ぞ剌S是傳動(dòng)軸，使用時(shí)其一端連接電機(jī)，另一端連接減速器。在模型中先構(gòu)造一個(gè)花鍵筒套在卸荷槽附近的花鍵上，在軸心建立耦合點(diǎn)，模擬電機(jī)扭矩傳遞至扭矩軸的情況，以此來(lái)創(chuàng)建邊界條件和添加載荷。最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將扭矩軸模型離散成為有限個(gè)小單元。扭矩軸為導(dǎo)入的實(shí)體模型，可以直接進(jìn)行網(wǎng)格密度劃分，選擇ABAQUS 軟件默認(rèn)的網(wǎng)格劃分規(guī)則[4]，根據(jù)實(shí)際工況，選擇自由度為3 的小單元，但單元是一種三維固定結(jié)構(gòu)，具有應(yīng)力強(qiáng)化、大應(yīng)變、大變形等能力。網(wǎng)格化后模型如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格化后模型

點(diǎn)擊submit 按鈕提交分析，有限元分析就正式開(kāi)始了，等到顯示completed，則分析完成，點(diǎn)擊results 按鈕，界面進(jìn)入visualization 模塊[5]。在此模塊中，可以通過(guò)Mises 查看應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D等。三種不同卸荷槽在同一扭矩作用下的應(yīng)力、變形情況如圖3 所示。

圖3 三種類型卸荷槽應(yīng)力（MPa）、變形（m）云圖

通過(guò)分析云圖，在施加同一扭矩的情況下，三種類型卸荷槽的最大應(yīng)力均集中于軸徑處，且應(yīng)力集中現(xiàn)象很明顯。其中V 型卸荷槽的應(yīng)力值最大，為507 MPa，最為敏感；U 型卸荷槽的只有436 MPa；工型卸荷槽的應(yīng)力值為454 MPa。由此可得，U 型卸荷槽的應(yīng)力值最小。再來(lái)看變形量，U 型卸荷槽的變形量最小，這樣在實(shí)際發(fā)生斷裂時(shí)，不容易卡死連續(xù)采煤機(jī)，方便維修更換。因此，U 型卸荷槽是三種類型卸荷槽中設(shè)計(jì)最為合理的。

3 結(jié)論

本文以連續(xù)采煤機(jī)的扭矩軸為研究對(duì)象，運(yùn)用ABAQUS 有限元分析方法，對(duì)不同類型卸荷槽進(jìn)行了靜力學(xué)分析，通過(guò)分析同種載荷下U 型、V 型、工型三種卸荷槽的應(yīng)力和變形云圖，找出卸荷槽最合理的設(shè)計(jì)為U 型卸荷槽。其使得扭矩軸既能滿足傳遞扭矩的功能，又能更好地實(shí)現(xiàn)斷裂卸荷作用，有效地保護(hù)了連續(xù)采煤機(jī)的電機(jī)，而且因其變形量小，對(duì)于更換或維修效率也有很大提高，可以很好地改善連續(xù)采煤機(jī)的工作效率，適應(yīng)更復(fù)雜的采煤工況。但本文對(duì)于卸荷槽的研究尚處于初級(jí)水平，后續(xù)還需在U 型卸荷槽的具體尺寸方面作進(jìn)一步研究，更好地為煤礦行業(yè)服務(wù)。