白彥明
(寧武縣能源職工安全培訓(xùn)中心,山西 寧武 036700)
采煤機(jī)作為煤炭掘進(jìn)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備,具有效率高、壽命長(zhǎng)、工作可靠等優(yōu)勢(shì),在煤炭行業(yè)應(yīng)用極為廣泛。截割部作為采煤機(jī)的重要組成部分,是截割煤巖的主要運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),設(shè)計(jì)包括傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等。扭矩軸作為采煤機(jī)截割部的核心部件,連接電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng),主要作用是動(dòng)力傳輸、緩沖啟動(dòng)和采煤機(jī)過載保護(hù),當(dāng)截割部承受的載荷超出電機(jī)輸出扭矩時(shí),扭矩軸自動(dòng)破斷,起到保護(hù)截割電機(jī)的功能。但工作實(shí)踐表明,采煤機(jī)過載時(shí),由于截割煤巖的結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,滾筒承受的阻力及阻力矩是隨機(jī)的,某些時(shí)候會(huì)出現(xiàn)過載扭矩軸不斷的情況,憋壞截割電機(jī)。因此,針對(duì)上述現(xiàn)象,以南溝煤礦MG300/710-WD 型采煤機(jī)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(duì)扭矩軸扭剪強(qiáng)度的影響規(guī)律研究,對(duì)于更好的為截割電機(jī)匹配扭矩軸具有重要指導(dǎo)意義。
南溝煤礦MG300/710-WD 型號(hào)采煤機(jī)使用的扭矩軸結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示,主要涉及扭矩軸的長(zhǎng)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(zhǎng)度和直徑主要影響其扭轉(zhuǎn)剛度,工作時(shí)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(qiáng)度,工作時(shí)發(fā)揮過載保護(hù)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(qiáng)度進(jìn)行動(dòng)力傳輸,目前MG300/710-WD 型采煤機(jī)扭矩軸使用的材料為40Cr,調(diào)質(zhì)處理之后具有很好的強(qiáng)韌性,滿足扭矩軸工作運(yùn)行的要求。
圖1 扭矩軸結(jié)構(gòu)Fig.1 Torque shaft structure
圖2 有限元仿真分析模型Fig.2 Finite element simulation analysis model
基于MG300/710-WD 型號(hào)采煤機(jī)使用的扭矩軸結(jié)構(gòu)形式和測(cè)繪結(jié)果,繪制扭矩軸三維模型,扭矩軸長(zhǎng)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??紤]到有限元仿真前處理時(shí)花鍵進(jìn)行網(wǎng)格劃分極易出現(xiàn)問題的情況,對(duì)扭矩軸三維模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化,省略了花鍵結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)化為圓柱形。
扭矩軸卸荷槽的材料為40Cr,其抗拉強(qiáng)度數(shù)值為962 MPa,屈服強(qiáng)度數(shù)值為820 MPa,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定,扭矩軸的扭剪強(qiáng)度取屈服強(qiáng)度的0.55~0.62 倍,計(jì)算可得扭矩軸的扭剪強(qiáng)度數(shù)值取451~508 MPa,為了使扭矩軸工作時(shí)能夠起到過載保護(hù)的作用,取許用扭剪強(qiáng)度數(shù)值為508 MPa,完成材料屬性設(shè)置。
扭矩軸材料屬性設(shè)置完成之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分,設(shè)置網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的尺寸數(shù)值,卸荷槽以外結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸設(shè)置20 mm,因重點(diǎn)研究卸荷槽位置的扭剪強(qiáng)度,需對(duì)卸荷槽附件進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,設(shè)置網(wǎng)格結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)值為5 mm。之后啟動(dòng)ansys 仿真軟件自帶工具進(jìn)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。
有限元仿真分析前處理的最后一步是進(jìn)行約束和載荷的施加,根據(jù)南溝煤礦實(shí)際情況以及采煤機(jī)截割電機(jī)的參數(shù),設(shè)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(jī)連接的另一端,固定扭矩軸與電機(jī)連接一端,至此完成扭矩軸有限元仿真分析前處理工作。
此處重點(diǎn)研究采煤機(jī)截割部扭矩軸卸荷槽半徑對(duì)其扭剪強(qiáng)度的影響,確定扭矩軸的破斷條件,因此需要設(shè)計(jì)不同扭矩軸卸荷槽半徑尺寸,分別進(jìn)行仿真計(jì)算,獲取扭矩軸的最大剪切應(yīng)力數(shù)值。基于扭矩軸原卸荷槽半徑尺寸,設(shè)計(jì)卸荷槽尺寸分別為22.5、23、24、24.5、25.5 mm。
將完成前處理的扭矩軸有限元仿真分析模型進(jìn)行分析計(jì)算,計(jì)算完成之后提取不同卸荷槽半徑對(duì)應(yīng)的扭矩軸最大剪應(yīng)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(yīng)力分布云圖。由圖3 可以看出,整個(gè)扭矩軸仿真結(jié)果中,最大剪切應(yīng)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(yīng)力數(shù)值不同。
基于扭矩軸仿真分析結(jié)果可以得出,卸荷槽圓弧半徑為22.5 mm 時(shí)的最大剪應(yīng)力數(shù)值為432.05 MPa;卸荷槽圓弧半徑為23 mm 時(shí)的最大剪應(yīng)力數(shù)值為450.15 MPa;卸荷槽圓弧半徑為24 mm 時(shí)的最大剪應(yīng)力數(shù)值為492.91 MPa;卸荷槽圓弧半徑為24.5 mm 時(shí)的最大剪應(yīng)力數(shù)值為516.55 MPa;卸荷槽圓弧半徑為25.5 mm 時(shí)的最大剪應(yīng)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(duì)于扭矩軸最大剪切應(yīng)力的影響規(guī)律,運(yùn)用Matlab 軟件進(jìn)行曲線繪制,進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得出卸荷槽圓弧半徑對(duì)應(yīng)的卸荷槽扭矩軸的最大剪應(yīng)力關(guān)系,如圖4 所示。擬合之后的函數(shù)關(guān)系式如下:
圖4 卸荷槽圓弧半徑對(duì)應(yīng)的扭矩軸最大剪應(yīng)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(yīng)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(shí)的最大剪應(yīng)力數(shù)值逐漸增大。由擬合得到的多項(xiàng)式進(jìn)一步計(jì)算得出扭矩軸工作時(shí),在最大剪切應(yīng)力508 MPa 條件下,扭矩軸剛好發(fā)生剪斷時(shí)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(jì)算出扭矩軸過載剪斷時(shí)的卸荷槽圓弧半徑尺寸,更好的指導(dǎo)設(shè)計(jì)與扭矩軸的改進(jìn)工作。
為了驗(yàn)證上述擬合公式的準(zhǔn)確性,重新進(jìn)行仿真計(jì)算,修改扭矩軸仿真模型的結(jié)構(gòu)尺寸,將卸荷槽圓弧半徑修改為24.33 mm,之后進(jìn)行扭矩軸最大剪應(yīng)力仿真計(jì)算,仿真材料屬性、網(wǎng)格劃分、約束設(shè)置和載荷施加均與前面仿真計(jì)算相同。
待扭矩軸仿真計(jì)算完成之后提取扭矩軸仿真計(jì)算結(jié)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(yīng)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(shí)扭矩軸的最大剪應(yīng)力數(shù)值為508.53 MPa,與實(shí)際扭矩軸的剪切強(qiáng)度508 MPa 基本一致,故而驗(yàn)證了擬合曲線的準(zhǔn)確性,能夠有效指導(dǎo)扭矩軸的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。
圖5 扭矩軸卸荷槽圓弧半徑24.33 mm時(shí)的最大剪切應(yīng)力云圖Fig.5 Maximum shear stress nephogram of the torque shaft unloading groove when the arc radius is 24.33 mm
扭矩軸作為采煤機(jī)截割部?jī)?nèi)連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其工作的可靠性至關(guān)重要,既要起到動(dòng)力傳遞作用,又要起到過載保護(hù)效果。針對(duì)南溝煤礦MG300/710-WD 型采煤機(jī)扭矩軸工作時(shí)存在過載保護(hù)不靈、憋壞電機(jī)的問題,開展了不同卸荷槽圓弧半徑對(duì)扭矩軸最大剪切應(yīng)力的影響研究。結(jié)果表明,扭矩軸工作時(shí)的最大剪應(yīng)力數(shù)值隨卸荷槽圓弧半徑尺寸的增大而增大,并對(duì)對(duì)扭矩軸最大剪切應(yīng)力和卸荷槽圓弧半徑關(guān)系進(jìn)行擬合得到多項(xiàng)關(guān)系式,通過仿真模擬驗(yàn)證了多項(xiàng)關(guān)系式的準(zhǔn)確性,能夠指導(dǎo)扭矩軸的設(shè)計(jì)與改進(jìn)工作。