采煤機(jī)截割部扭矩軸強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

白 樺

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司安全監(jiān)管五人小組， 山西 大同 037000）

引言

煤炭資源作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展的重要保障，近年來(lái)對(duì)其的需求量不斷增加，同時(shí)對(duì)綜采設(shè)備的可靠性要求也越來(lái)越高[1]。目前，滾筒式采煤機(jī)在煤炭企業(yè)中的應(yīng)用較為廣泛，對(duì)于提供煤炭產(chǎn)量和采煤效率，降低采煤工作的勞動(dòng)強(qiáng)度方面起到了不可替代的作用[2]。由于煤巖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采煤機(jī)工作時(shí)不可避免地會(huì)出現(xiàn)截割載荷的波動(dòng)情況，這對(duì)截割電機(jī)產(chǎn)生較大沖擊，當(dāng)沖擊載荷過(guò)大時(shí)，截割滾筒會(huì)出現(xiàn)過(guò)載，損壞采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，甚至導(dǎo)致截割電機(jī)燒毀，使整個(gè)煤炭采掘工作面的工作停滯，影響采煤效率，從而限制企業(yè)煤炭產(chǎn)量的進(jìn)一步提高[3-5]。扭矩軸作為采煤機(jī)截割電機(jī)的過(guò)載保護(hù)元件，其工作的可靠性至關(guān)重要，其過(guò)載保護(hù)功能已引起了各界的廣泛關(guān)注[6]。因此，針對(duì)某煤炭企業(yè)采煤機(jī)截割電機(jī)出現(xiàn)多次過(guò)載悶機(jī)的情況，以截割部扭轉(zhuǎn)軸為研究對(duì)象，借助ANSYS 有限元仿真計(jì)算軟件，開(kāi)展扭矩軸強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)工作具有重要意義。

1 扭矩軸作用及現(xiàn)存問(wèn)題

在采煤機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)的過(guò)程中，因煤巖地質(zhì)條件的差異，截割滾筒受到的煤炭截割反作用力會(huì)存在較大的波動(dòng)，作用力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致截割電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載悶機(jī)等故障。而悶機(jī)故障一旦出現(xiàn)，不僅會(huì)使采煤機(jī)工作停滯，影響煤炭產(chǎn)量，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)燒毀截割電機(jī)，給企業(yè)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。采煤機(jī)設(shè)計(jì)者為了避免出現(xiàn)截割電機(jī)過(guò)載悶機(jī)情況，在截割電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)之間設(shè)置了1 根頸部有凹槽的扭矩軸，利用其凹槽位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象，扭矩軸既能夠啟動(dòng)動(dòng)力傳動(dòng)功能，又能起到過(guò)載保護(hù)的功能，與此同時(shí)，還具有一定的緩沖減振效果。某企業(yè)采煤機(jī)工作過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)截割電機(jī)過(guò)載悶機(jī)情況，經(jīng)過(guò)故障排查確定是扭矩軸剪切強(qiáng)度過(guò)大不能及時(shí)被剪斷導(dǎo)致的，因此有必要對(duì)此進(jìn)行原因分析工作。

2 有限元仿真計(jì)算

2.1 實(shí)體模型建立

依據(jù)采煤機(jī)截割部扭矩軸工程圖紙及測(cè)繪結(jié)果，運(yùn)用SolidWorks 軟件建立截割臂扭矩軸的實(shí)體模型，為了提高仿真計(jì)算的效率，省略了扭矩軸實(shí)體中的倒角、圓角等要素。

2.2 材料屬性設(shè)置

截割部扭矩軸的材料牌號(hào)為40CrNiMo，材料的具體屬性參數(shù)如下：彈性模量為209 GPa，泊松比為0.29，屈服強(qiáng)度為820 MPa，抗拉強(qiáng)度為960 MPa。根據(jù)上述材料屬性參數(shù)來(lái)完成扭矩軸材料屬性的設(shè)置。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格類(lèi)型選擇作為有限元仿真分析過(guò)程中網(wǎng)格劃分的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系著仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)截割部扭矩軸實(shí)體結(jié)構(gòu)情況，選擇solid186四面體網(wǎng)格形式對(duì)扭矩軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，啟動(dòng)自由劃分網(wǎng)格功能，得到的扭矩軸有限元仿真分析模型如圖1 所示。

圖1 截割部扭矩軸有限元模型

2.4 約束與載荷施加

截割部扭矩軸邊界條件設(shè)置過(guò)程如下：在扭轉(zhuǎn)軸的一端添加位移約束，對(duì)其中的5 個(gè)自由度的位移設(shè)置為0，保留扭矩軸繞Z 軸旋轉(zhuǎn)的自由度；對(duì)扭矩軸的另一端設(shè)置固定約束，限制扭矩軸的全部自由度。截割部扭矩軸與截割電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)之間的連接均為內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)，全部花鍵齒均受力，為了簡(jiǎn)化扭矩軸仿真計(jì)算過(guò)程中載荷施加的簡(jiǎn)便性，將扭矩軸嚙合力轉(zhuǎn)換為壓強(qiáng)平均施加在扭矩軸花鍵齒端面，通過(guò)計(jì)算得出單個(gè)花鍵齒端面的壓強(qiáng)值為31.45 MPa。

2.5 仿真結(jié)果

在完成采煤機(jī)截割部扭矩軸有限元仿真模型的前處理工作后，啟動(dòng)ANSYS 軟件自帶求解器，開(kāi)始進(jìn)行扭矩軸強(qiáng)度分析計(jì)算，提取仿真計(jì)算結(jié)果中扭矩軸的等效應(yīng)力分布云圖，如圖2 所示。由圖2 可以看出，扭矩軸最大應(yīng)力數(shù)值為489.46 MPa，位置在凹槽底部，與設(shè)計(jì)目的一致。相較于扭矩軸材料的許用應(yīng)力508 MPa，顯然扭矩軸的應(yīng)力集中最大值不足以剪斷扭矩軸起到保護(hù)截割電機(jī)的目的，這也是采煤機(jī)截割電機(jī)工作過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)截割電機(jī)過(guò)載悶機(jī)的主要原因。因此，需要對(duì)扭矩軸進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以便達(dá)到扭矩中過(guò)載保護(hù)的要求。

圖2 扭矩軸等效應(yīng)力分布云圖

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化方案

截割部扭矩軸實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖3 所示。提高截割臂扭矩軸應(yīng)力集中的方法包括：縮小扭矩軸的整體直徑尺寸，能夠提高凹槽位置的應(yīng)力集中數(shù)值，但是會(huì)降低扭矩軸的整體強(qiáng)度，不能保證其穩(wěn)定可靠工作；縮小凹槽位置的半徑尺寸，可保持扭矩軸的其他原始結(jié)構(gòu)尺寸不變，該方法能夠顯著提高扭矩軸凹槽位置的應(yīng)力集中值，也符合扭矩軸設(shè)計(jì)的初始目的。當(dāng)前截割部扭矩軸凹槽半徑R=30 mm，為了提高凹槽位置的應(yīng)力集中數(shù)值，需要在此基礎(chǔ)上減小半徑，依次設(shè)計(jì)出半徑為29.5 mm、29 mm、28.5 mm的扭矩軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以便得到合適的扭矩軸凹槽尺寸。

圖3 扭矩軸結(jié)構(gòu)（mm）

3.2 優(yōu)化結(jié)果

依據(jù)截割部扭矩軸優(yōu)化方案，修改了有限元仿真計(jì)算模型，依次完成了對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的仿真計(jì)算，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 不同扭矩軸凹槽半徑對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力分布云圖可以看出，隨著凹槽半徑尺寸的減小，應(yīng)力集中位置的應(yīng)力數(shù)值逐漸增大。半徑R由30 mm 降低至28.5 mm 時(shí)，應(yīng)力集中數(shù)值增加了73.27 MPa，扭矩軸的優(yōu)化方案是正確的。相較于扭矩軸材料的許用應(yīng)力508 MPa，與其接近的仿真計(jì)算結(jié)果為508.24 MPa，對(duì)應(yīng)的凹槽半徑尺寸R=28 mm。對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行綜合分析，確定了中凹槽位置的半徑R=28 mm 為截割臂扭矩軸優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)最優(yōu)尺寸，能夠滿(mǎn)足采煤機(jī)截割電機(jī)過(guò)載保護(hù)的要求。

圖4 不同半徑對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力（MPa）分布云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證采煤機(jī)截割部扭矩軸仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)優(yōu)化之后的扭矩軸結(jié)構(gòu)尺寸加工制造了3 根扭矩軸進(jìn)行試驗(yàn)。將優(yōu)化之后的扭矩軸安裝于采煤機(jī)中，對(duì)其施加仿真計(jì)算得到的扭矩載荷，觀察扭矩軸是否發(fā)生過(guò)載斷裂。試驗(yàn)結(jié)果表明，在緩慢增加扭矩軸載荷的過(guò)程中，扭矩軸沒(méi)有發(fā)生明顯變形，當(dāng)扭矩載荷達(dá)到過(guò)載載荷時(shí)，扭矩軸瞬間斷裂，起到了很好的過(guò)載保護(hù)功能。計(jì)算得出每個(gè)花鍵鍵齒端面的壓強(qiáng)為31.62 MPa，與仿真計(jì)算值31.45 MPa基本吻合，仿真計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

1）扭轉(zhuǎn)軸卸荷槽位置的應(yīng)力集中值小于材料的剪切強(qiáng)度，是截割電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載悶機(jī)的主要原因。

2）當(dāng)卸荷槽半徑R=28.5 mm 時(shí)，能夠滿(mǎn)足扭轉(zhuǎn)軸過(guò)載斷裂的要求。

3）改進(jìn)之后的扭轉(zhuǎn)軸能夠滿(mǎn)足截割電機(jī)過(guò)載保護(hù)的要求，扭轉(zhuǎn)軸優(yōu)化效果較為顯著，具有很好的工程指導(dǎo)意義。