礦用絞車電機轉(zhuǎn)軸疲勞分析及優(yōu)化

王 飛

(霍州煤電集團云廈建筑工程有限公司 白龍礦建分公司，山西 霍州 031412)

礦用絞車是運輸煤炭、設(shè)備以及人員的主要動力裝置[1]。由于其結(jié)構(gòu)簡單，研發(fā)成本較低，所以在各煤礦中得到廣泛應(yīng)用。

由于煤礦工作環(huán)境惡劣、負(fù)荷大、工作強度高，因此絞車通常都是高負(fù)荷、長時間運轉(zhuǎn)，經(jīng)常會出現(xiàn)速度過快或者過慢的情況，從而導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)疲勞斷裂，嚴(yán)重影響煤礦正常生產(chǎn)，甚至?xí){到工作人員的人身安全。因此，對電機轉(zhuǎn)軸進行應(yīng)力分析及疲勞壽命分析，并由此提出優(yōu)化改進建議，對提高電機轉(zhuǎn)軸的可靠性、保障絞車的正常運行和使用安全具有重要意義。

1 模型建立

絞車電機轉(zhuǎn)軸作為關(guān)鍵零部件，目前大多數(shù)為階梯狀設(shè)計，一般分為軸承伸出端、前主軸承擋、限位凸臺、轉(zhuǎn)子擋、后主軸承擋[2]。根據(jù)電機轉(zhuǎn)軸實際尺寸參數(shù)在三維畫圖軟件CREO中建立模型，同時對模型的倒角、圓角等細小特征進行模型簡化設(shè)計，保留了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，由此，建立了礦用絞車電動機轉(zhuǎn)軸的三維模型，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)軸模型

絞車在運行過程中通常所承受的載重在3～4 t之間[3]，但是在設(shè)計過程中通常會按照2～2.5倍的安全系數(shù)來設(shè)計。因此，本文在考慮設(shè)計安全系數(shù)最大的情況下，按照2.5倍安全系數(shù)來模擬，最大載重取10 t。

2 靜力分析

2.1 靜力學(xué)分析

將建立的絞車電機轉(zhuǎn)軸模型導(dǎo)入到有限元分析軟件Ansys Workbench中，轉(zhuǎn)軸材料為Q345鋼，材料密度為7.8 t/m3，彈性模量為2.10 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為345 MPa[4]。

為了提高模型的仿真精度，模型在網(wǎng)格劃分時，將模型的邊緣過渡和曲率中心進行網(wǎng)格加密設(shè)置[5]。將10 t的載荷轉(zhuǎn)化為扭矩加載到轉(zhuǎn)軸上，開展轉(zhuǎn)軸的靜力學(xué)仿真分析。仿真結(jié)果如圖2。

圖2 絞車電機轉(zhuǎn)軸靜力學(xué)分析

由圖2可以看出，應(yīng)力最大的位置在軸承伸出段的過渡角位置，最大應(yīng)力為325 MPa，已非常接近材料的屈服強度，這與煤礦現(xiàn)場發(fā)生的故障位置一致，該處是現(xiàn)場使用的礦用絞車電機轉(zhuǎn)軸最薄弱的位置。而轉(zhuǎn)軸的其他部位的應(yīng)力則相對較小，且分布較為均勻。因此，有必要對轉(zhuǎn)軸進行改進設(shè)計。

2.2 疲勞分析

絞車電機在使用過程中，一般都是重復(fù)性的上下拖拽動作，所以電機轉(zhuǎn)軸的受力情況可以認(rèn)為是不斷重復(fù)上下動作[6]，在長時間這樣的使用過程中，電機轉(zhuǎn)軸在最薄弱的位置就容易出現(xiàn)應(yīng)力疲勞，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)斷裂。

將仿真得到的靜力學(xué)分析結(jié)果進一步帶入到疲勞分析模塊中，對電機轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力疲勞情況進行分析。分析結(jié)果如圖3所示，可以看出軸承伸出段的過渡角位置處疲勞壽命僅為5 119次，這個使用壽命完全無法滿足絞車的正常壽命要求，即這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計存在一定的安全隱患。

圖3 疲勞變化

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于現(xiàn)在的電機轉(zhuǎn)軸疲勞壽命不能完全滿足現(xiàn)場使用要求，需要對它進行優(yōu)化設(shè)計，重點是優(yōu)化軸承伸出段的過渡角位置，常用的方法有優(yōu)化過渡圓角或者增加卸載槽，但是原設(shè)計本來就考慮了過渡圓角，再對圓角進行優(yōu)化效果不是很明顯。因此，在軸承上采用增加卸載槽的設(shè)計優(yōu)化，結(jié)構(gòu)如圖4。

根據(jù)工程力學(xué)理論，卸載槽的存在增加了扭力的承擔(dān)結(jié)構(gòu)，可以在一定程度上分擔(dān)過渡圓角處的疲勞應(yīng)力。

圖4 優(yōu)化后轉(zhuǎn)軸模型

將優(yōu)化后的轉(zhuǎn)軸模型重新導(dǎo)入到有限元分析軟件中，添加材料屬性，劃分網(wǎng)格，加載相同的受力條件，對優(yōu)化后的轉(zhuǎn)軸進行靜力學(xué)分析。計算結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出，應(yīng)力最大位置還是在軸承伸出段的過渡角位置，但是最大應(yīng)力較優(yōu)化之前降低了16%，降低到237 MPa。同時，其他部位的應(yīng)力集中值也得到相應(yīng)減小，應(yīng)力分布更加均勻。由此可說明，改進后轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)的結(jié)構(gòu)性能。

將應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入到疲勞模塊，計算結(jié)果如圖6所示，優(yōu)化后軸承伸出段的過渡角位置疲勞壽命達到8796次，較優(yōu)化前提升了71.8%，完全可以滿足現(xiàn)場使用需求。

圖5 優(yōu)化后靜力學(xué)分析結(jié)果

圖6 改進后結(jié)構(gòu)疲勞變化

4 效果檢驗

電機轉(zhuǎn)軸優(yōu)化后有效降低了最大應(yīng)力，提升了轉(zhuǎn)軸整體的抗疲勞強度。為進一步驗證改進后轉(zhuǎn)軸的綜合性能，將其在山西某礦進行了實際應(yīng)用試驗，結(jié)果表明：改進后的軸承結(jié)構(gòu)在近半年的使用中，基本未出現(xiàn)較大程度的結(jié)構(gòu)變形或結(jié)構(gòu)斷裂故障，僅出現(xiàn)了較小面積的磨損現(xiàn)象，整體結(jié)構(gòu)強度得到明顯提升，轉(zhuǎn)軸疲勞斷裂的故障率降低了約50%，大大降低了設(shè)備的安全隱患，保障了作業(yè)人員的人身安全；同時，據(jù)該礦與之前半年進行對比統(tǒng)計，新結(jié)構(gòu)電機轉(zhuǎn)軸的應(yīng)用，為企業(yè)節(jié)約了約10萬元的維修費用支出。新型電機轉(zhuǎn)軸的應(yīng)用，取得了良好效果。