基于正交試驗的采煤機扭矩軸結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

樊鵬飛

（西山煤電 馬蘭礦，山西 古交 030205）

1 概況

采煤機是煤礦開采中比較重要的裝備，能否穩(wěn)定可靠運行對煤礦開采效率有直接的影響。由于煤礦開采環(huán)境非常復(fù)雜，采煤機工作時不可避免地會遇到特別堅硬的巖石，導(dǎo)致截割頭被卡死。此時若截割電機繼續(xù)輸出動力，則很可能導(dǎo)致電機發(fā)生燒毀。為了避免上述問題的出現(xiàn)，設(shè)計人員在傳動系統(tǒng)中設(shè)置了1 根帶有卸載槽的扭矩軸，作用主要表現(xiàn)在兩個方面，其一為傳遞電機輸出的動力，其二為一旦截割頭被卡死，電機持續(xù)輸出動力時，扭矩軸因為承受較大的載荷會在卸載槽部位發(fā)生扭斷，達到保護電機的目的。在工程實踐應(yīng)用中，如果扭矩軸卸載槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會導(dǎo)致該斷時不斷、不該斷時斷裂的問題，影響采煤機運行的可靠性。針對這一問題問題，以馬蘭礦MG500/1140-G WD 型采煤機為例，基于正交試驗思想，對扭矩軸卸載槽結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化研究，對于提升采煤機的運行穩(wěn)定性具有重要實踐意義。

2 扭矩軸結(jié)構(gòu)形式及其作用

2.1 常見結(jié)構(gòu)形式

采煤機截割部傳動系統(tǒng)中使用的扭矩軸，在端部位置設(shè)置有卸載槽。不同型號采煤機中使用的扭矩軸卸載槽結(jié)構(gòu)形式存在一定的差異，常見的結(jié)構(gòu)形式包括U 型結(jié)構(gòu)、V 型結(jié)構(gòu)和矩形結(jié)構(gòu)，其中U型結(jié)構(gòu)由于加工比較方便，在實際應(yīng)用中效果較好，因此使用范圍最為廣泛。馬蘭礦MG500/1140-GWD 型采煤機扭矩軸的卸載槽即為U 型結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 扭矩軸的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of torque shaft

由圖1 可知，扭矩軸的中間部分為實心結(jié)構(gòu)，兩端部位設(shè)置有鉆孔，與電機、截割頭進行連接實現(xiàn)動力的傳輸。電機正常工作時的額定功率500 kW，額定轉(zhuǎn)速1450 r/min。扭矩軸的整體長度L為1275 mm，直徑D 為70 mm，內(nèi)徑d 為35 mm，卸載槽與軸向端部間的距離L0為290 mm。

2.2 扭矩軸的作用

扭矩軸的重要作用是對電機進行保護，因為扭矩軸中設(shè)置有特殊的卸載槽結(jié)構(gòu)，當(dāng)扭矩軸承受扭矩載荷時會在卸載槽部位出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，通常卸載槽部位的應(yīng)力值比其他部位的應(yīng)力值要大很多。如果扭矩軸承受的扭矩載荷超過了設(shè)定的數(shù)值，由于卸載槽部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，會使該部位的應(yīng)力值超過材料的屈服強度，進而發(fā)生塑性變形，最終在該部位發(fā)生斷裂。卸載槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)會對扭矩軸的使用性能產(chǎn)生決定性的影響。

3 基于正交試驗的優(yōu)化方案設(shè)計

3.1 正交試驗概述

正交試驗方法是解決優(yōu)化問題的重要和有效方法，利用該思想可以對優(yōu)化方案進行科學(xué)合理的安排設(shè)計，低成本、快速獲得最優(yōu)結(jié)果，規(guī)避試錯法中的重復(fù)性試驗和嘗試性試驗，提升效率。

3.2 優(yōu)化方案

馬蘭礦MG500/1140-GWD 型采煤機扭矩軸卸載槽為U 型結(jié)構(gòu)，已有的理論和實踐經(jīng)驗表明，U型卸載槽結(jié)構(gòu)的深度h、寬度r 及其與端部位置之間的距離L0，對卸載槽的應(yīng)力集中現(xiàn)象的影響最為顯著，因此以這3 個結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化對象。針對每個對象分別設(shè)置5 個水平的參數(shù)，深度h 的取值分別為6、7、8、9、10 mm，寬度r 的取值分別為3、3.5、4、4.5、5 mm，距離L0的取值分別為290、300、310、320、330 mm。根據(jù)參數(shù)的取值范圍，結(jié)合正交試驗的思想，對優(yōu)化方案進行了設(shè)計，共設(shè)置了25 組優(yōu)化試驗組合，具體見表1。由于扭矩軸工作性質(zhì)比較特殊，要求卸載槽部位的應(yīng)力集中值剛好超過材料的許用強度為宜。如果應(yīng)力集中值過小，則特殊情況下難以扭斷對電機進行保護，相反如果應(yīng)力集中值過大，則正常工作時可能會出現(xiàn)扭斷的問題，影響設(shè)備正常運行。

表1 基于正交試驗思想的優(yōu)化試驗方案Table 1 Optimal test scheme based on orthogonal test idea

4 扭矩軸結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

4.1 有限元模型的建立

利用UG 軟件根據(jù)扭矩軸的實際結(jié)構(gòu)尺寸建立三維幾何模型。研究需要對25 組優(yōu)化方案進行研究，根據(jù)不同的優(yōu)化方案建立對應(yīng)的三維幾何模型。將建立好的模型導(dǎo)入到Abaqus 軟件中進行有限元模型的建立工作。在軟件中選擇四面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格尺寸由軟件根據(jù)整體情況自動化設(shè)置，最終劃分得到的網(wǎng)格單元數(shù)量和節(jié)點數(shù)量分別為9324 個和10397 個。MG500/1140-GWD 型采煤機扭矩軸的生產(chǎn)加工材料為42CrMo，密度9800 kg/m3，屈服強度900 MPa，楊氏模量210 GPa，泊松比0.3。

根據(jù)工程經(jīng)驗，電機能承受的最大扭矩為額定功率值的2.2 倍，按照公式：

式中：T 為扭矩；P 為電機的額定功率、N 為電機的額定轉(zhuǎn)速。計算得到扭矩值為7244 N·m。將該結(jié)果作為扭矩軸的邊界條件設(shè)置在端部位置。

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

扭矩軸正常工作時主要承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，材料能夠承受的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力與其屈服強度之間存在對應(yīng)關(guān)系，具體為：

式中：[τ]為材料的許用切應(yīng)力；σb為材料的屈服強度。計算得到扭轉(zhuǎn)軸的許用切應(yīng)力在450～540 MPa，此次研究取540 MPa。

不同優(yōu)化方案對應(yīng)的扭矩軸卸載槽最大應(yīng)力值及其與許用切應(yīng)力之間比較情況如圖2 所示。

圖2 不同優(yōu)化方案對應(yīng)的卸載槽最大應(yīng)力值及其與許用切應(yīng)力之間比較Fig.2 Maximum stress of unloading groove corresponding to different optimization schemes and comparison with allowable shear stress

由圖2 可知，不同的卸載槽結(jié)構(gòu)參數(shù)會對該部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象產(chǎn)生直接影響。第16、21、22、23、24、25 組方案中卸載槽的最大應(yīng)力值超過了材料的許用切應(yīng)力值，其余組別的優(yōu)化方案卸載槽最大應(yīng)力值均沒有超過許用應(yīng)力值。意味著扭矩軸不容易在卸載槽位置發(fā)生扭斷現(xiàn)象，會增加電機運行時的風(fēng)險。進一步對比發(fā)現(xiàn)，第16 組方案超過的幅度最小，所以認為該組方案對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)。查表1 可知對應(yīng)的卸載槽深度、寬度及其與端部之間的距離分別為9、3 和320 mm。

第16 組方案扭矩軸卸載槽部位的應(yīng)力分布情況如圖3 所示。

圖3 第16 組方案扭矩軸卸載槽部位的應(yīng)力分布情況Fig.3 Stress distribution of unloading groove of torque shaft in group 16

從圖3 中可以看出，扭矩軸不同位置的應(yīng)力分布情況呈現(xiàn)出非常明顯的不均勻性，特別是卸載槽部位出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，與其他部位相比較，應(yīng)力值要大出很多。扭轉(zhuǎn)軸其他部位的應(yīng)力值大約為300 MPa，卸載槽部位的應(yīng)力值在500 MPa以上，最大應(yīng)力值達到了541.98 MPa。最大切應(yīng)力值正好超過了材料的使用切應(yīng)力值540 MPa，且超過幅度最小。

5 結(jié) 論

以馬蘭礦MG500/1140-GWD 型采煤機中的扭矩軸結(jié)構(gòu)為研究對象，基于正交試驗方法，利用Abaqus 軟件對扭矩軸卸載槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，所得結(jié)論主要有以下3 點。

（1） 采煤機截割部扭轉(zhuǎn)軸不僅可以傳遞扭矩，特殊情況下還能在卸載槽部位發(fā)生扭斷，對截割電機進行保護。

（2） 以卸載槽的深度、寬度及其與端部間距離為優(yōu)化對象，以最大應(yīng)力值為優(yōu)化目標(biāo)，基于正交試驗思想設(shè)計了25 組優(yōu)化方案。

（3） 利用Abaqus 軟件對25 組優(yōu)化方案分別建立模型并模擬分析，當(dāng)卸載槽寬度、深度及其與端部間距離分別為9、3 和320 mm 時，卸載槽的最大應(yīng)力值為541.98 MPa，剛好超過材料使用切應(yīng)力值540 MPa，該結(jié)果最優(yōu)。