白彥明

（寧武縣能源職工安全培訓中心，山西 寧武 036700）

1 概 況

采煤機作為煤炭掘進生產(chǎn)的關鍵設備，具有效率高、壽命長、工作可靠等優(yōu)勢，在煤炭行業(yè)應用極為廣泛。截割部作為采煤機的重要組成部分，是截割煤巖的主要運動系統(tǒng)，設計包括傳動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等。扭矩軸作為采煤機截割部的核心部件，連接電機與傳動系統(tǒng)，主要作用是動力傳輸、緩沖啟動和采煤機過載保護，當截割部承受的載荷超出電機輸出扭矩時，扭矩軸自動破斷，起到保護截割電機的功能。但工作實踐表明，采煤機過載時，由于截割煤巖的結構極為復雜，滾筒承受的阻力及阻力矩是隨機的，某些時候會出現(xiàn)過載扭矩軸不斷的情況，憋壞截割電機。因此，針對上述現(xiàn)象，以南溝煤礦MG300/710-WD 型采煤機為例，借助有限元仿真分析軟件，開展扭矩軸卸荷槽半徑大小對扭矩軸扭剪強度的影響規(guī)律研究，對于更好的為截割電機匹配扭矩軸具有重要指導意義。

2 扭矩軸結構與材料

南溝煤礦MG300/710-WD 型號采煤機使用的扭矩軸結構形式如圖1 所示，主要涉及扭矩軸的長度L，扭矩軸的直徑D，卸荷槽外徑尺寸d，卸荷槽圓弧半徑r 和卸荷槽最小直徑尺寸d0。扭矩軸的長度和直徑主要影響其扭轉(zhuǎn)剛度，工作時發(fā)揮緩沖作用；卸荷槽外徑尺寸和卸荷槽圓弧半徑主要影響扭剪強度，工作時發(fā)揮過載保護作用。扭矩軸材料選擇較為講究，需要有足夠的沖擊韌性，又要保證扭矩軸具有足夠的強度進行動力傳輸，目前MG300/710-WD 型采煤機扭矩軸使用的材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理之后具有很好的強韌性，滿足扭矩軸工作運行的要求。

圖1 扭矩軸結構Fig.1 Torque shaft structure

圖2 有限元仿真分析模型Fig.2 Finite element simulation analysis model

3 有限元仿真分析

3.1 三維模型建立

基于MG300/710-WD 型號采煤機使用的扭矩軸結構形式和測繪結果，繪制扭矩軸三維模型，扭矩軸長度L=1 135 mm，端部花鍵外廓尺寸為94 mm 和84 mm，卸荷槽位置的外徑尺寸為78 mm。考慮到有限元仿真前處理時花鍵進行網(wǎng)格劃分極易出現(xiàn)問題的情況，對扭矩軸三維模型進行了簡化，省略了花鍵結構，簡化為圓柱形。

3.2 材料屬性

扭矩軸卸荷槽的材料為40Cr，其抗拉強度數(shù)值為962 MPa，屈服強度數(shù)值為820 MPa，根據(jù)經(jīng)驗確定，扭矩軸的扭剪強度取屈服強度的0.55～0.62 倍，計算可得扭矩軸的扭剪強度數(shù)值取451～508 MPa，為了使扭矩軸工作時能夠起到過載保護的作用，取許用扭剪強度數(shù)值為508 MPa，完成材料屬性設置。

3.3 網(wǎng)格劃分

扭矩軸材料屬性設置完成之后進行網(wǎng)格劃分，設置網(wǎng)格結構的尺寸數(shù)值，卸荷槽以外結構的網(wǎng)格尺寸設置20 mm，因重點研究卸荷槽位置的扭剪強度，需對卸荷槽附件進行網(wǎng)格細化，設置網(wǎng)格結構尺寸數(shù)值為5 mm。之后啟動ansys 仿真軟件自帶工具進行網(wǎng)格劃分，得到扭矩軸的有限元仿真分析模型，如同2 所示。

3.4 約束與載荷

有限元仿真分析前處理的最后一步是進行約束和載荷的施加，根據(jù)南溝煤礦實際情況以及采煤機截割電機的參數(shù)，設置扭矩軸的扭剪載荷為19 358.1 N·m，即將該扭轉(zhuǎn)載荷施加在其與電機連接的另一端，固定扭矩軸與電機連接一端，至此完成扭矩軸有限元仿真分析前處理工作。

4 仿真分析

4.1 仿真變量設置

此處重點研究采煤機截割部扭矩軸卸荷槽半徑對其扭剪強度的影響，確定扭矩軸的破斷條件，因此需要設計不同扭矩軸卸荷槽半徑尺寸，分別進行仿真計算，獲取扭矩軸的最大剪切應力數(shù)值?；谂ぞ剌S原卸荷槽半徑尺寸，設計卸荷槽尺寸分別為22.5、23、24、24.5、25.5 mm。

4.2 仿真分析結果

將完成前處理的扭矩軸有限元仿真分析模型進行分析計算，計算完成之后提取不同卸荷槽半徑對應的扭矩軸最大剪應力分布云圖，如圖3 所示，依次為卸荷槽半徑尺寸22.5、23、24、24.5、25.5 mm 的應力分布云圖。由圖3 可以看出，整個扭矩軸仿真結果中，最大剪切應力均發(fā)生在卸荷槽內(nèi)直徑最小的位置，主要區(qū)別是不同卸荷槽圓弧半徑的最大剪切應力數(shù)值不同。

基于扭矩軸仿真分析結果可以得出，卸荷槽圓弧半徑為22.5 mm 時的最大剪應力數(shù)值為432.05 MPa；卸荷槽圓弧半徑為23 mm 時的最大剪應力數(shù)值為450.15 MPa；卸荷槽圓弧半徑為24 mm 時的最大剪應力數(shù)值為492.91 MPa；卸荷槽圓弧半徑為24.5 mm 時的最大剪應力數(shù)值為516.55 MPa；卸荷槽圓弧半徑為25.5 mm 時的最大剪應力數(shù)值為581.59 MPa。

為了更直觀的表征扭矩軸卸荷槽圓弧半徑對于扭矩軸最大剪切應力的影響規(guī)律，運用Matlab 軟件進行曲線繪制，進行多項式擬合得出卸荷槽圓弧半徑對應的卸荷槽扭矩軸的最大剪應力關系，如圖4 所示。擬合之后的函數(shù)關系式如下：

圖4 卸荷槽圓弧半徑對應的扭矩軸最大剪應力Fig.4 Maximum shear stress of the torque shaft corresponding to the arc radius of the unloading groove

式中：σm為最大剪應力，MPa；r 為卸荷槽圓弧半徑，mm。

由圖4 可以看出，隨著扭矩軸卸荷槽圓弧半徑尺寸的增大，扭矩軸工作時的最大剪應力數(shù)值逐漸增大。由擬合得到的多項式進一步計算得出扭矩軸工作時，在最大剪切應力508 MPa 條件下，扭矩軸剛好發(fā)生剪斷時的卸荷槽圓弧半徑尺寸為24.33 mm，根據(jù)上述公式能夠快速計算出扭矩軸過載剪斷時的卸荷槽圓弧半徑尺寸，更好的指導設計與扭矩軸的改進工作。

5 仿真驗證

為了驗證上述擬合公式的準確性，重新進行仿真計算，修改扭矩軸仿真模型的結構尺寸，將卸荷槽圓弧半徑修改為24.33 mm，之后進行扭矩軸最大剪應力仿真計算，仿真材料屬性、網(wǎng)格劃分、約束設置和載荷施加均與前面仿真計算相同。

待扭矩軸仿真計算完成之后提取扭矩軸仿真計算結果，得出扭矩軸卸荷槽圓弧半徑為24.33 mm 條件下扭矩軸的最大剪切應力云圖，如同5 所示。由圖5 可以看出，卸荷槽圓弧半徑為24.33 mm 時扭矩軸的最大剪應力數(shù)值為508.53 MPa，與實際扭矩軸的剪切強度508 MPa 基本一致，故而驗證了擬合曲線的準確性，能夠有效指導扭矩軸的設計與改進。

圖5 扭矩軸卸荷槽圓弧半徑24.33 mm時的最大剪切應力云圖Fig.5 Maximum shear stress nephogram of the torque shaft unloading groove when the arc radius is 24.33 mm

6 結 語

扭矩軸作為采煤機截割部內(nèi)連接驅(qū)動電機與傳動系統(tǒng)的關鍵部件，其工作的可靠性至關重要，既要起到動力傳遞作用，又要起到過載保護效果。針對南溝煤礦MG300/710-WD 型采煤機扭矩軸工作時存在過載保護不靈、憋壞電機的問題，開展了不同卸荷槽圓弧半徑對扭矩軸最大剪切應力的影響研究。結果表明，扭矩軸工作時的最大剪應力數(shù)值隨卸荷槽圓弧半徑尺寸的增大而增大，并對對扭矩軸最大剪切應力和卸荷槽圓弧半徑關系進行擬合得到多項關系式，通過仿真模擬驗證了多項關系式的準確性，能夠指導扭矩軸的設計與改進工作。