基于ABAQUS的采煤機(jī)截割部電機(jī)過載保護(hù)裝置研究

(太重煤機(jī)有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

雙滾筒采煤機(jī)是我國現(xiàn)代化綜采工作面的重要機(jī)械設(shè)備，其工作狀態(tài)穩(wěn)定、自動化程度高，可較大幅度降低井下工作人員的勞動強(qiáng)度和物料消耗，且增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)效果明顯，因此在我國各大煤礦應(yīng)用廣泛。

采煤機(jī)的工作穩(wěn)定性和設(shè)備安全性直接影響著煤炭企業(yè)的生產(chǎn)效益，在采煤機(jī)沿工作面煤壁往復(fù)運動過程中，通過截割部滾筒的不斷旋轉(zhuǎn)對煤巖進(jìn)行切割落煤，截割部電機(jī)提供切割過程的全部動力。實際生產(chǎn)過程中，由于煤巖硬度、矸石分布、截深和截割角度等的變化，電機(jī)負(fù)載波動較大，加之人工操作失誤導(dǎo)致的截割頭觸碰支架等情況，時常出現(xiàn)電機(jī)超載，嚴(yán)重影響截割電機(jī)的安全使用和傳動系統(tǒng)穩(wěn)定性。針對此問題，應(yīng)設(shè)置專用的電機(jī)過載保護(hù)裝置，在出現(xiàn)短時過載工況時，及時切斷負(fù)荷與電機(jī)的關(guān)聯(lián)，保證電機(jī)的安全穩(wěn)定。

1 截割部電機(jī)過載保護(hù)方法

一般情況下，截割部電機(jī)過載保護(hù)包括以下幾種方案：

1)電流監(jiān)測保護(hù)。采煤機(jī)的截割電機(jī)為礦用特種防爆電機(jī)，一般都具有恒功率控制和反向牽引保護(hù)功能。當(dāng)實際電流大于額定電流一定范圍時，系統(tǒng)自動牽引降速，降低實際電流至額定值以下，甚至啟動電機(jī)反轉(zhuǎn)；但當(dāng)實際電流大于額定電流一定倍數(shù)，并持續(xù)一定時間時，電機(jī)啟動過載保護(hù)，及時切斷電機(jī)輸出。這種保護(hù)方式的缺點在于不能對輸入扭矩進(jìn)行及時跟蹤監(jiān)測。

2)摩擦離合器式保護(hù)。基于電流監(jiān)測方式的局限性，可采用機(jī)械式的摩擦離合器對輸入扭矩進(jìn)行直接監(jiān)測。通過在電機(jī)輸出軸和輸入軸之間增加摩擦離合器，可在負(fù)荷扭矩突然增大超過一定限度時，空轉(zhuǎn)打滑，防止電機(jī)沖擊過載。這種保護(hù)裝置可對沖擊性質(zhì)的過載進(jìn)行較好的防護(hù)，但其缺點在于打滑期間仍有較大的輸入扭矩。

3)彈性扭矩軸式保護(hù)。 扭矩軸兩端帶有外花鍵，連接軸身兩端的其余動力傳輸裝置，同時在軸身上設(shè)置有一處卸荷槽，通過縮小軸頸，可在輸入扭矩超限時發(fā)生瞬時切斷，從而直接斷開負(fù)載與電機(jī)之間動力傳輸。這種保護(hù)方式可有效防止連續(xù)性沖擊對電機(jī)的損害，是截割電機(jī)過載保護(hù)的重要手段[1-3]。本文將對扭矩軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2 彈性扭矩軸裝配結(jié)構(gòu)及功能

2.1 裝配結(jié)構(gòu)

如圖1所示，扭矩軸安裝在電機(jī)和減速器之間，正常工作狀態(tài)時，電機(jī)上的內(nèi)花鍵與扭矩軸上的外花鍵嚙合，從而傳遞電機(jī)動力；扭矩軸另一端的外花鍵與減速器齒輪的內(nèi)花鍵嚙合，從而傳遞負(fù)載扭矩。當(dāng)采煤機(jī)處于維修狀態(tài)時，為保證安全操作，一般通過手柄將扭矩軸拉出，使其與減速機(jī)內(nèi)花鍵脫離，實現(xiàn)離合式安全保護(hù)?？梢?，扭矩軸是電機(jī)和滾筒之間動力傳遞的重要媒介。

圖1 彈性扭矩軸裝配結(jié)構(gòu)

2.2 扭矩軸的設(shè)計功能要求

扭矩軸作為采煤機(jī)內(nèi)重要的動力傳輸和電機(jī)安全保護(hù)裝置，要求其具有良好的彈性緩沖和過載保護(hù)能力，具體設(shè)計功能要求如下：

第一，傳遞扭矩。采煤機(jī)工作時間長、滾筒負(fù)載大，因此要求相應(yīng)的扭矩傳遞設(shè)備具有良好的穩(wěn)定性，而扭矩軸兩端的花鍵可保證較大的扭矩傳輸；

第二，緩沖減震。滾筒負(fù)荷波動較大，對電機(jī)具有一定損害，而扭矩軸的細(xì)長結(jié)構(gòu)對沖擊性負(fù)荷具有較好的緩沖作用；

第三，過載保護(hù)。為防止過大的沖擊載荷對電機(jī)的損害，要求扭矩軸在載荷達(dá)到一定數(shù)值時及時斷開，保護(hù)電機(jī)安全，因此應(yīng)對扭矩軸的卸荷槽進(jìn)行合理設(shè)計。

3 彈性扭矩卸荷槽尺寸理論計算

3.1 理論計算方法

如圖2所示，彈性扭矩軸主要由兩端的外花鍵、螺栓連接孔、軸身和卸荷槽等結(jié)構(gòu)組成，其中輥身直徑為Da，卸荷槽最小斷面直徑為D，卸荷槽處內(nèi)孔直徑為d。其中，卸荷槽的結(jié)構(gòu)形式和最小斷面直徑直接影響其功能的發(fā)揮，本節(jié)將重點對型號為YBCS-900截割電機(jī)的彈性扭矩軸的卸荷槽斷面直徑進(jìn)行理論計算[4-5]。該電機(jī)的額定功率P為900 kW，額定轉(zhuǎn)速n為1480 r/min。

圖2 彈性扭矩軸結(jié)構(gòu)

該電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Tn計算公式如下：

(1)

一般要求在電機(jī)嚴(yán)重過載，即轉(zhuǎn)矩過載倍數(shù)α達(dá)到2.2時，扭矩軸從卸荷槽處斷開，此時卸荷槽處的最大剪應(yīng)力τmax計算公式如下：

(2)

為保證扭矩軸的正常使用，要求滿足以下關(guān)系：

τmax≤[τ]

(3)

式中：[τ]為扭矩軸的許用剪切應(yīng)力，由材料力學(xué)強(qiáng)度計算理論可知，一般選擇[τ]=0.55·[σs]；[σs]為材料的屈服強(qiáng)度極限。

扭矩軸材料選擇常用合金鋼42CrMo，調(diào)質(zhì)處理后的屈服強(qiáng)度[σs]可達(dá)930 MPa，則[τ]=0.55·[σs]=512 MPa。

由此可計算得出卸荷槽處最小直徑D=63 mm。

3.2 理論計算的局限性

以上方法可對卸荷槽的最小直徑進(jìn)行理論計算，但須知材料力學(xué)中的剪應(yīng)力計算公式是以平面假設(shè)為基礎(chǔ)的，即假設(shè)計算物體的斷面形狀均勻一致。而對于卸荷槽結(jié)構(gòu)，其截面尺寸在較短長度范圍內(nèi)的變化較大，因此用該公式計算存在一定偏差。與此同時，V形、U形等不同結(jié)構(gòu)形式的卸荷槽，其斷面形狀變化規(guī)律也不相同，需分別進(jìn)行研究。針對理論計算存在的局限性，可使用有限元軟件對計算結(jié)果進(jìn)行校核，并對具體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行選擇。

4 有限元分析模型

4.1 有限元模型

1)三維模型。由理論計算可知，對于YBCS-900型截割電機(jī)，彈性扭矩軸的最小斷面直徑可設(shè)置為63 mm，本文將分別對此尺寸下的V形和U形卸荷槽的受力狀況進(jìn)行建模分析。建模過程中，由于軸頭花鍵等結(jié)構(gòu)對卸荷槽位置的受力影響較小，根據(jù)圣維南原理，花鍵可簡化為圓柱體。另外，卸荷槽結(jié)構(gòu)簡單，因此直接在有限元軟件ABAQUS中，經(jīng)草繪和旋轉(zhuǎn)后獲得。卸荷槽的相關(guān)尺寸如圖3所示，兩種結(jié)構(gòu)具有相同的最小斷面直徑。

圖3 V形和U形卸荷槽尺寸

2)屬性設(shè)置及網(wǎng)格劃分。設(shè)置為彈性體，彈性模量G=200 GPa，泊松比為0.3。由于卸荷槽是主要受力分析位置，因此應(yīng)在此處設(shè)置高密度網(wǎng)格種子，提高分析精度，其余位置進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。單元類型選擇分析精度較高的20節(jié)點六面體二次減縮積分單元C3D20R；

3)邊界條件與載荷設(shè)置。對于發(fā)生扭斷的極限工況，可在扭矩軸的一端對所有自由度進(jìn)行約束，而另一端施加極限扭矩2.2Tn。

4.2 有限元分析結(jié)果

圖4、圖5分別為V形和U形卸荷槽對應(yīng)的Mises應(yīng)力云圖，結(jié)果表明，扭矩軸的應(yīng)力最大位置都在卸荷槽處，即不同結(jié)構(gòu)卸荷槽都能起到斷裂保護(hù)的作用。

圖4 V形卸荷槽Mises應(yīng)力云圖

圖5 U形卸荷槽Mises應(yīng)力云圖

同時，也可發(fā)現(xiàn)兩云圖中最大應(yīng)力的分布范圍存在較大差異，圖4中V形卸荷槽的谷底R圓角區(qū)域存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，且其最大應(yīng)力數(shù)值(1240 MPa)比理論計算值(930 MPa)顯著偏大，表明此時單純采用材料力學(xué)方法對軸頸進(jìn)行計算存在較大偏差。但該結(jié)構(gòu)卸荷槽在過載斷裂時，扭斷斷面齊整，基本不會產(chǎn)生碎屑，易于斷軸的清理和取出。

圖5中U形卸荷槽最大應(yīng)力分布范圍相對較寬，約為V形槽的2倍，應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱，且最大應(yīng)力數(shù)值(981.6 MPa) 與理論計算值(930 MPa)接近，因為U形卸荷槽底部曲率變化平緩，因此材料力學(xué)方法計算較為準(zhǔn)確。該結(jié)構(gòu)卸荷槽在扭矩過大時，緩沖減震性能較好，且過載保護(hù)能力較強(qiáng)，因此適宜作為采煤機(jī)彈性扭矩軸的卸荷槽。

5 結(jié)論

針對采煤機(jī)截割部電機(jī)的過載保護(hù)問題，本文首先分析了采煤機(jī)上所采用的不同原理的電機(jī)過載保護(hù)方式，然后對彈性扭矩軸保護(hù)方式的裝配結(jié)構(gòu)和扭矩軸設(shè)計要求進(jìn)行了研究，隨后利用材料力學(xué)方法對YBCS-900型截割電機(jī)的扭矩軸參數(shù)進(jìn)行了計算，最后針對理論計算存在的局限性，利用ABAQUS有限元軟件分別對V形和U形卸荷槽的應(yīng)力分布進(jìn)行了研究，結(jié)果表明U形卸荷槽最利于扭矩軸各項功能的發(fā)揮。本文研究成果對截割部電機(jī)過載保護(hù)裝置的選擇和設(shè)計具有積極指導(dǎo)意義。