王村煤業(yè)MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機截割部扭矩軸優(yōu)化設計研究

閆云飛

（同煤集團四臺礦，山西 大同 037052）

采煤機通過其截割部分的機械運動對煤層進行截割，對于不同的開采煤層，截割部件在工作時受到的沖擊負荷也不相同[1]，為了避免過硬巖層或夾矸石引起的采煤機截割電機過載損壞，往往采用扭矩軸來保護截割電機和主傳動系統(tǒng)。王村煤業(yè)煤層工作面采用的是MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機，在實際運行中，因截割電機過載而扭矩軸沒有斷裂，導致截割電機燒毀的情況時有發(fā)生，即扭矩軸對電機的保護效果并不穩(wěn)定。本文以王村煤業(yè)該型電牽引采煤機為研究對象，進行采煤機截割部扭矩軸的優(yōu)化設計研究。。

1 采煤機截割部電機燒毀原因分析

王村煤業(yè)山4#層東盤區(qū)8106工作面煤層埋深較深，該開采面總面積為92858.4m2，對應地表在狼叫北坡、香建溝東南、后家溝西南溝梁一帶，煤層中混有較多的過硬巖層和夾矸石，開采環(huán)境不利于采煤機運行。2017年底至2018年7月份以來，8106工作面MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機出現(xiàn)了兩次由于負載超載導致的截割電機燒毀現(xiàn)象。該煤型電牽引采煤機，截割部扭矩軸實際上是一根兩端具有空心圓柱直齒漸開線花鍵結構的軸，用于截割電機動力的傳遞。技術攻關小組對發(fā)生電機燒毀故障的采煤機研究發(fā)現(xiàn)，雖然扭矩軸發(fā)生斷裂，但根據(jù)斷裂裂口的不規(guī)則形式判斷，電機燒毀原因是扭矩軸在達到設計扭矩值時沒有及時斷裂，直至電機異常運作產(chǎn)生振動，才使扭矩軸斷裂，即扭矩軸并沒有起到保護電機超載的作用。扭矩軸斷裂處如圖1所示。

圖1 扭矩軸的斷裂裂口實物圖

2 采煤機截割部扭矩軸優(yōu)化設計方案

2.1 材料選擇優(yōu)化

MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機上安裝配置的截割電機型式為單出軸、定子水冷、防爆型，其電機額定功率為P=930kW，額定轉速N=1470r/h，額定扭矩T=9550×P/N=6041.8N·m。扭矩軸要求在該三相異步電動機扭矩達到一定倍數(shù)時出現(xiàn)斷裂，并在電機扭矩未達到臨界值時，扭矩軸不發(fā)生任何形式的斷裂。根據(jù)以上分析，為了避免扭矩軸發(fā)生斷裂失效，扭矩軸在材料選擇和制造工藝上進行了如下設計：在材料選擇和熱處理工藝選擇時，主要考慮了其對扭矩軸強度和韌度的影響。本設計采煤機扭矩軸制造材料選擇中碳鋼合金40Cr；對材料的熱處理在參考其尺寸與強度要求下，采用淬火及中溫回火熱處理工藝，調(diào)質(zhì)硬度為310-350HB。

2.2 結構優(yōu)化

影響扭矩軸功能實現(xiàn)的重要位置是扭矩軸的卸荷槽，而電機的扭矩在不超過其額定扭矩2.5倍時，不會因扭矩增大而導致電機線圈的突然燒壞[2]，因此考慮到安全系數(shù)，本文選取卸荷槽承載電機扭矩極限為2.47倍的電機扭矩，即14923.2N·m。扭矩軸卸荷槽采用U型結構設計，相比I型和V型結構，U型卸荷槽的抗扭矩變形優(yōu)于其他兩種結構。U型卸荷槽示意圖如圖2所示。

圖2 扭矩軸U型卸荷槽示意圖

確定了卸荷槽的結構后，卸荷槽的寬度是扭矩軸斷裂速度的一個重要影響因素。應適當擴大扭矩軸卸荷槽部位的直徑，以提高扭矩軸的抗扭強度[3]，即要求扭矩在（2.47倍）14923.2N·m時能夠及時斷開。U型卸荷槽的最小直徑是影響其斷裂保護電機性能的重要參數(shù)，通過研究不同U型卸荷槽最小直徑下，應力集中截面的最大應力的分布數(shù)值與分布情況，來確定MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機截割部扭矩軸U型卸荷槽最小直徑。應力變化和應變是檢驗扭矩軸的重要參數(shù)，對比的U型卸荷槽最小直徑為55mm、57mm和59mm，對比結果見表1。

表1 不同直徑U型卸荷槽截面性能參數(shù)對比

從表1結果可以看出，在一定負載下，隨著卸荷槽最小直徑的增大，U型卸荷槽最小直徑截面處應力也在增大，這有助于在過載情況下扭矩軸的斷裂，從而保護截割電機。但對比三種不同尺寸的卸荷槽發(fā)現(xiàn)，55mm和59mm的U型卸荷槽在負載下，應力分布均勻，57mmU型卸荷槽的應力則很好的分布在最小截面處，應力集中的扭矩軸在發(fā)生斷裂時，斷裂截面相比應力不集中的斷面更加整齊，即從應力角度的試驗數(shù)據(jù)看出，57mm的U型卸荷槽扭矩軸更符合使用要求。

應變指的是扭矩軸在一定外力下，局部發(fā)生的相對變形。對于采煤機截割部扭矩軸，應變應相對較小[4]。對比三種尺寸的卸荷槽，在同樣的外力負載情況下，應變程度逐漸減小。對于本文選擇的材料中碳鋼合金40Cr，以上應變程度即抗變形能力都能很好滿足保護MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機截割部電機的要求。最終，本優(yōu)化方案選取了最小截面直徑為57mm的U型卸荷槽扭矩軸的結構。

3 優(yōu)化后扭矩軸在王村煤業(yè)的應用

根據(jù)以上優(yōu)化方案，技術攻關小組對MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機的截割部扭矩軸進行了重新設計優(yōu)化與制造。自2018年8月將優(yōu)化后的扭矩軸投入使用至今，采煤工作面開采遇到三次過硬巖層或夾矸石，在截割電機負載出現(xiàn)超載時，優(yōu)化后的扭矩軸都能夠及時斷裂，完美實現(xiàn)保護電機的功能，電機沒有出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象。優(yōu)化后的扭矩軸如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后U型卸荷槽扭矩軸圖

4 結論

本文通過對采煤機扭矩軸作用原理的介紹，主要針對MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機的電機扭矩軸制造材料、成型工藝以及結構設計進行了優(yōu)化，通過試驗與實際應用，形成以下結論：

（1）對王村煤業(yè)MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機截割部電機出現(xiàn)超載燒毀的原因進行了分析，通過斷裂扭矩軸的裂口形式，確定電機燒毀是由于扭矩軸失效所致；

（2）對MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機截割部扭矩軸進行優(yōu)化設計，通過分析該型采煤機截割電機額定扭矩，考慮到安全系數(shù)，設計扭矩軸制造材料為中碳鋼合金40Cr，采用淬火及中溫回火熱處理工藝，調(diào)質(zhì)硬度為310-350HB；

（3）在扭矩軸卸荷槽優(yōu)化設計過程中，對常見的三種卸荷槽形式進行了對比，卸荷槽的U型結構設計優(yōu)于I型和V型結構。對不同最小橫截面直徑的U型卸荷槽在相同負載情況下的應力大小、應力集中情況以及應變程度性能進行了分析，分析結果表明55mm、57mm和59mm的U型卸荷槽在負載情況下，應力和應變程度逐漸增大，但57mm的U型卸荷槽應力集中分布在最小截面處，斷裂截面將更加整齊，表明57mm的U型卸荷槽在性能方面優(yōu)于其他兩種。

（4）王村煤業(yè)使用改造扭矩軸后的MG400/930-WD(3.3)型電牽引采煤機已完成近3km的深部采煤。經(jīng)過一年多的實際驗證，該扭矩軸優(yōu)化方案實施效果良好，具有很大推廣意義。