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        采煤機(jī)扭矩軸卸荷槽數(shù)值模擬分析

        2022-05-12 06:59:08王修永沈家宇
        機(jī)械管理開(kāi)發(fā) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:卸荷采煤機(jī)云圖

        王修永, 沈家宇

        (內(nèi)蒙古昊盛煤業(yè)有限公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

        引言

        目前,隨著煤礦開(kāi)采年限的增加,煤礦開(kāi)采的深度不斷加大,煤礦機(jī)械的工況環(huán)境日益惡劣,所以提升煤礦機(jī)械的穩(wěn)定性是未來(lái)機(jī)械研究的趨勢(shì)。采煤機(jī)作為我國(guó)煤礦開(kāi)采重要的機(jī)械設(shè)備,其主要承載著裝煤、落煤的任務(wù)[1-2],而扭矩軸時(shí)采煤機(jī)截割部重要的保護(hù)設(shè)備,其在工作過(guò)程中,當(dāng)發(fā)現(xiàn)截割過(guò)程存在較大的扭矩時(shí),此時(shí)扭矩軸發(fā)生斷裂,保護(hù)采煤機(jī)的截割系統(tǒng)。卸荷槽作為扭矩軸最為薄弱的環(huán)節(jié),其在運(yùn)行過(guò)程中常常遇到過(guò)載不斷或者不合理折斷等情況[3-4],所以,本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)扭矩軸受力進(jìn)行分析,給出卸荷槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),為礦井采煤機(jī)高效、安全運(yùn)行提供參考。

        1 模型建立

        為了分析扭矩軸應(yīng)力分布情況,首先對(duì)扭轉(zhuǎn)軸進(jìn)行靜力學(xué)分析,在固定的載荷作用下,得出構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變的云圖,從而分析結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求,為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)。首先進(jìn)行模型的建立,確定本文的分析軟件為ABAQUS 數(shù)值模擬軟件,利用模擬軟件的外接模塊進(jìn)行模型的建立,后導(dǎo)入至模擬軟件中,扭矩軸長(zhǎng)度設(shè)定為1 275 mm,卸荷槽位于距離一端290 mm,卸荷槽內(nèi)徑設(shè)定為35 mm,扭矩軸的直徑為70 mm。對(duì)模型的材料進(jìn)行設(shè)定,選定模型的材料時(shí)首先要滿足扭轉(zhuǎn)軸芯部的硬度,其材料應(yīng)該擁有足夠的剛度及抗疲勞性能,所以在充分考慮好選定材料為42CrMo,選定材料后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)充分考慮計(jì)算的精度及計(jì)算的時(shí)間,在保證計(jì)算精度的同時(shí)盡量降低計(jì)算時(shí)間,經(jīng)過(guò)對(duì)比選定四面體C3D8R 單元進(jìn)行劃分,劃分后模型共計(jì)22 803 個(gè)網(wǎng)格。U 型卸荷槽的局部網(wǎng)格劃分圖如1 所示。

        圖1 U 型卸荷槽的局部網(wǎng)格劃分圖

        對(duì)材料的物理屬性進(jìn)行設(shè)定,材料的彈性模量為210 GPa;屈服應(yīng)力為900 MPa,材料的密度為9.8 g/cm3;材料的泊松比為0.3,完成物理參數(shù)設(shè)定后對(duì)模型的邊界條件及加載條件進(jìn)行設(shè)定,對(duì)扭矩軸截割部電機(jī)進(jìn)行固定約束設(shè)定,同時(shí)在滾筒位置施加固定扭矩,根據(jù)安全規(guī)范要求,設(shè)定扭轉(zhuǎn)軸的破壞扭矩為電機(jī)額定扭矩的2.2 倍,經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出設(shè)定的扭矩為7 244 N·m,設(shè)定材料的抗扭強(qiáng)度最大值為540 MPa,當(dāng)扭轉(zhuǎn)軸受到的扭矩大于540 MPa 時(shí),此時(shí)扭轉(zhuǎn)軸會(huì)發(fā)生保護(hù)性斷裂。

        2 數(shù)值模擬分析

        完成后對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析。給出三種槽型下的應(yīng)力云圖如下頁(yè)圖2 所示。

        從下頁(yè)圖2 中可以看出,在相同扭矩加載條件下,不同卸荷槽結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力云圖存在一定的相同點(diǎn),同時(shí)也存在一定的不同,卸荷槽結(jié)構(gòu)為V 型、U型和工型形態(tài)時(shí),應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置均為卸荷槽的軸頸位置,在此位置出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中,且應(yīng)力集中的現(xiàn)象較為明顯,當(dāng)卸荷槽尺寸為V 型時(shí),此時(shí)在卸荷槽的軸頸位置的應(yīng)力最大值為507 MPa,此時(shí)的應(yīng)力最大值為三種卸荷槽結(jié)構(gòu)下的最大值,同時(shí)當(dāng)卸荷槽結(jié)構(gòu)為U 型時(shí),此時(shí)在卸荷槽的軸頸位置出現(xiàn)的最大值為437 MPa,此時(shí)的最大值較卸荷槽尺寸為V 型時(shí)減小了70 MPa,降低幅度為13.8%,當(dāng)卸荷槽結(jié)構(gòu)為工字型時(shí),此時(shí)在卸荷槽的軸頸位置出現(xiàn)的最大值為454 MPa,此時(shí)的最大值較卸荷槽尺寸為V 型時(shí)減小了53 MPa,降低幅度為10.4%,從以上分析可以看出,三種槽型應(yīng)力最大值按照從大至小依次V 型卸荷槽、工字型卸荷槽、U 型卸荷槽,所以在保證穩(wěn)定的前提下應(yīng)當(dāng)選用應(yīng)力值相對(duì)較小的卸荷槽尺寸,所以盡量選用的卸荷槽尺寸為U 型。

        圖2 卸荷槽應(yīng)力(MPa)云圖

        對(duì)不同卸荷槽深度(h)下卸荷槽應(yīng)力分布云圖進(jìn)行分析,選定卸荷槽深度分別為7 mm、8 mm、9 mm 和10 mm,將四種卸荷槽深度下隨路徑應(yīng)力變化趨勢(shì)進(jìn)行匯總?cè)鐖D3 所示。

        從圖3 可以看出,在選定U 型卸荷槽的基礎(chǔ)上,不同卸荷槽隨路徑應(yīng)力應(yīng)變變化曲線大致呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì),隨著路徑距離的不斷增大,卸荷槽應(yīng)力呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì),當(dāng)卸荷槽深度為7 mm 時(shí),此時(shí)的應(yīng)力最大值為401 MPa;當(dāng)卸荷槽深度為8 mm 時(shí),此時(shí)的應(yīng)力最大值為451 MPa,較卸荷槽深度7 mm 時(shí)增加了50 MPa,增大幅度為12.5%;當(dāng)卸荷槽深度為9 mm 時(shí),此時(shí)的應(yīng)力最大值為482 MPa,較卸荷槽深度7 mm 時(shí)增大了81 MPa,增大的幅度為20.2%;當(dāng)卸荷槽深度增大至10 mm 時(shí),此時(shí)應(yīng)力最大值為534 MPa,應(yīng)力最大值較卸荷槽深度7 mm 時(shí)增大了133 MPa,增大的幅度為33.2%,可以看出隨著卸荷槽深度的增加,應(yīng)力最大值呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì),而對(duì)比不同深度下扭矩軸的應(yīng)變同樣呈現(xiàn)隨卸荷槽深度增加而增大的趨勢(shì)。

        圖3 不同卸荷槽深度下應(yīng)力應(yīng)變曲線

        對(duì)不同卸荷槽寬度下的扭矩軸的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析,選定卸荷槽寬度分別為3.0 mm、3.5 mm、4.0 mm 和4.5 mm,將四種卸荷槽寬度(b)下隨路徑應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢(shì)進(jìn)行匯總?cè)鐖D4。

        圖4 不同卸荷槽寬度下應(yīng)力應(yīng)變曲線

        從圖4 可以看出,選定U 型卸荷槽的基礎(chǔ)上,不同卸荷槽寬度下隨路徑應(yīng)力應(yīng)變變化曲線呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì),且卸荷槽應(yīng)力應(yīng)變隨U 型槽前沿角度的增大呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢(shì),當(dāng)卸荷槽寬度為3.0 mm 時(shí),此時(shí)的應(yīng)力最大值為330 MPa,應(yīng)力值最?。划?dāng)卸荷槽寬度為3.5 mm 時(shí),此時(shí)的應(yīng)力最大值為465 MPa,此時(shí)應(yīng)力最大,當(dāng)卸荷槽寬度為4 mm 時(shí),此時(shí)的應(yīng)變最大值為0.002 85;當(dāng)卸荷槽寬度為4.5 mm 時(shí),此時(shí)應(yīng)變最大值為0.244 6,所以綜上分析可以看出隨著卸荷槽寬度的增加,扭矩軸卸荷槽的應(yīng)力應(yīng)變均增大,所以在進(jìn)行卸荷槽設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮寬度因素。

        3 結(jié)論

        1)利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同卸荷槽形式下應(yīng)力分布進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),應(yīng)力最大值按照從大至小依次為V 型卸荷槽、工字型卸荷槽、U 型卸荷槽。

        2)通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)隨著卸荷槽深度的增加,應(yīng)力最大值呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì),而不同深度下扭矩軸的應(yīng)變同樣呈現(xiàn)隨卸荷槽深度增加而增大的趨勢(shì)。

        3)隨著卸荷槽寬度的增加,扭矩軸卸荷槽的應(yīng)力應(yīng)變均增大,所以在進(jìn)行卸荷槽設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮寬度因素。

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