白彥明

（寧武縣能源職工安全培訓(xùn)中心，山西 寧武 036700）

1 概 況

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。

2 扭矩軸結(jié)構(gòu)與材料

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

3 有限元仿真分析

3.1 三維模型建立

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。

3.2 材料屬性

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。

3.3 網(wǎng)格劃分

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。

3.4 約束與載荷

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。

4 仿真分析

4.1 仿真變量設(shè)置

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。

4.2 仿真分析結(jié)果

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。

5 仿真驗(yàn)證

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

6 結(jié) 語

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。