采煤機(jī)扭轉(zhuǎn)軸卸荷槽最佳尺寸研究

王亞川

（山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

我國(guó)煤炭資源分布十分廣泛，整體儲(chǔ)量較大。近幾年，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)煤礦能源的需求量持續(xù)增加。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)表明，煤炭行業(yè)作為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，其在我國(guó)一次能源消耗占比中超過(guò)75%，同時(shí)煤炭資源為我國(guó)提供約75%的工業(yè)燃料、80%的商品能源及76%的發(fā)電燃料。所以為了響應(yīng)快速增長(zhǎng)的煤炭需求，對(duì)礦井進(jìn)行高效可持續(xù)開(kāi)采十分重要。采煤機(jī)作為礦井采掘的重要設(shè)備，其在煤礦開(kāi)采中起到的作用可謂舉足輕重，目前國(guó)內(nèi)外使用較廣的采煤機(jī)多為滾筒式采煤機(jī)，其有著高效采煤、安全采煤的優(yōu)點(diǎn)。在進(jìn)行煤巖截割過(guò)程中，由于巖層及工況環(huán)境使得采煤機(jī)極易出現(xiàn)載荷過(guò)大的情況，當(dāng)電機(jī)過(guò)載時(shí)，此時(shí)采煤機(jī)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生損壞，甚至損傷電機(jī)，導(dǎo)致采煤機(jī)工作效率受到影響。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的采煤機(jī)截割部均采用扭轉(zhuǎn)軸傳動(dòng)起過(guò)載保護(hù)的作用[1-2]。扭轉(zhuǎn)軸是采煤機(jī)內(nèi)部傳動(dòng)過(guò)載保護(hù)裝置，其一端連接，另一端與傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行連接。一旦截割電機(jī)出現(xiàn)較大載荷，扭轉(zhuǎn)軸就會(huì)在卸荷槽位置及時(shí)出現(xiàn)斷裂，迅速保護(hù)截割電機(jī)[3-4]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，扭轉(zhuǎn)軸斷裂扭矩值及結(jié)構(gòu)設(shè)定不同會(huì)影響一定的使用，所以本文對(duì)扭轉(zhuǎn)軸進(jìn)行研究，為采煤機(jī)安全、高效運(yùn)行提供有利條件。

1 模型建立

應(yīng)力集中效應(yīng)是一種由于構(gòu)件截面尺寸發(fā)生突變，使得截面出現(xiàn)局部應(yīng)力增大現(xiàn)象。截面尺寸相同的情況下，應(yīng)力勻分布較為平均。在構(gòu)件溝槽、孔、凸起等部位由于截面尺寸突然發(fā)生變化，使得局部應(yīng)力突變，造成構(gòu)件發(fā)生損壞，應(yīng)力集中也是影響構(gòu)件壽命的主要因素。應(yīng)力集中不光對(duì)構(gòu)件有著負(fù)面的影響，其也存在一定的好處，通過(guò)合理地利用應(yīng)力集中現(xiàn)象起到保護(hù)構(gòu)件的效果，扭轉(zhuǎn)軸的卸荷槽正是利用應(yīng)力集中的原理，通過(guò)在扭轉(zhuǎn)軸上設(shè)置凹槽，使得其在凹槽位置出現(xiàn)截面尺寸的突變，從而使得在截面位置（卸荷槽）出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而達(dá)到及時(shí)斷裂，保護(hù)采煤機(jī)截割電機(jī)的作用，本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)扭轉(zhuǎn)軸卸荷槽進(jìn)行分析，首先進(jìn)行采煤機(jī)扭轉(zhuǎn)軸的模型建立。

對(duì)模型進(jìn)行建立，在進(jìn)行模型建立時(shí)首先利用NX8.0軟件進(jìn)行扭轉(zhuǎn)軸的三維模型建立，后將建立的模型導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件中。對(duì)模型進(jìn)行物理參數(shù)的設(shè)定，設(shè)定材料為40CrNiMo，材料的彈性模量為20 900 MPa，材料的泊松比為0.295，材料密度為7 870 kg/m3，材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為960 MPa、820 MPa。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)充分考慮模擬的精度問(wèn)題，本文選用軟件中自帶網(wǎng)格solid186六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，同時(shí)在卸荷槽部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，從而在提升模擬精度的同時(shí)不會(huì)大幅度增加模擬的時(shí)間。完成模型網(wǎng)格劃分后對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，在扭轉(zhuǎn)軸兩端分別限定模型的位移，僅保留Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度完成上述操作后對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 模擬計(jì)算

首先對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)模擬，設(shè)定為2倍功率，在扭轉(zhuǎn)軸花鍵斷面設(shè)定壓強(qiáng)31.45 MPa，對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，扭轉(zhuǎn)軸剪應(yīng)力云圖如圖1所示。

圖1 扭轉(zhuǎn)軸剪應(yīng)力云圖

由圖1可知，采煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，扭轉(zhuǎn)軸主要受到扭轉(zhuǎn)的作用，所以在運(yùn)行過(guò)程中，扭轉(zhuǎn)軸需要在一定荷載在進(jìn)行及時(shí)斷裂，根據(jù)模擬云圖可以看出，此時(shí)在此條件下扭轉(zhuǎn)軸的最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在扭轉(zhuǎn)軸的卸荷槽位置，在此位置出現(xiàn)的最大應(yīng)力值為489.46 MPa，而根據(jù)材料斷裂扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度值應(yīng)當(dāng)大于508 MPa，所以在此條件下材料受到的剪切應(yīng)力最大值并未超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度，所以設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)軸卸荷槽并未起到效果，不能起到過(guò)載保護(hù)作用。

對(duì)不同卸荷槽參數(shù)下的扭轉(zhuǎn)軸靜力學(xué)進(jìn)行分析，分別對(duì)不同U型卸荷槽圓弧半徑R值下結(jié)構(gòu)靜力學(xué)云圖分析，分別選定卸荷槽R值27.5 mm、28.0 mm、28.5 mm、29.0 mm、29.5 mm、30.0 mm、30.5 mm進(jìn)行研究，分別將扭轉(zhuǎn)軸卸荷槽位置的剪切應(yīng)力最大值進(jìn)行匯總，匯總不同卸荷槽尺寸下扭轉(zhuǎn)軸應(yīng)力最大值曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 不同卸荷槽尺寸下扭轉(zhuǎn)軸應(yīng)力最大值曲線(xiàn)

根據(jù)模擬結(jié)果將7種卸荷槽R值下的扭轉(zhuǎn)軸最大剪切應(yīng)力值進(jìn)行繪制，并進(jìn)行擬合，擬合出如圖曲線(xiàn)，根據(jù)材料的斷裂強(qiáng)度508 MPa，代入擬合曲線(xiàn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出在R值為29.9 mm時(shí)，扭轉(zhuǎn)軸最大剪切應(yīng)力能夠達(dá)到508 MPa，所以對(duì)卸荷槽尺寸R值29.9 mm時(shí)進(jìn)行靜力學(xué)模擬分析，模擬云圖如3所示。

圖3 模擬云圖

根據(jù)圖3可以看出，模擬云圖出現(xiàn)應(yīng)力最大值的位置仍是卸荷槽部位，此時(shí)的最大剪切應(yīng)力值為508.24 MPa，此時(shí)扭轉(zhuǎn)軸受到的剪切應(yīng)力超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度508 MPa，此時(shí)卸荷槽能夠及時(shí)發(fā)生斷裂，設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)軸卸荷槽能夠起到應(yīng)有的效果，起到過(guò)載保護(hù)作用。

對(duì)5倍電機(jī)額定功率下不同卸荷槽參數(shù)下的扭轉(zhuǎn)軸靜力學(xué)進(jìn)行分析，卸荷槽R值20 mm、21 mm、22 mm、23 mm、24 mm、25 mm、27.5 mm進(jìn)行研究，分別將扭轉(zhuǎn)軸卸荷槽位置的剪切應(yīng)力最大值進(jìn)行匯總，匯總不同卸荷槽尺寸下扭轉(zhuǎn)軸應(yīng)力最大值曲線(xiàn)如圖4-1所示，同時(shí)將最佳扭轉(zhuǎn)軸卸荷槽尺寸進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖4-2所示。

圖4 擬合曲線(xiàn)及最佳尺寸模擬云圖

根據(jù)模擬結(jié)果將7種卸荷槽R值下的扭轉(zhuǎn)軸進(jìn)行繪制，擬合出擬合曲線(xiàn)，將材料斷裂強(qiáng)度508 MPa代入擬合曲線(xiàn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出在R值為21.3 mm時(shí)，扭轉(zhuǎn)軸最大剪切應(yīng)力能夠達(dá)到508 MPa，所以對(duì)卸荷槽尺寸R值21.3 mm時(shí)進(jìn)行靜力學(xué)模擬分析，從靜力學(xué)云圖可以看出，當(dāng)卸荷槽尺寸為21.3 mm時(shí)，此時(shí)的剪切應(yīng)力最大值為510.79 MPa，在此條件下卸荷槽能夠及時(shí)發(fā)生斷裂，設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)軸卸荷槽能夠起到應(yīng)有的效果，起到過(guò)載保護(hù)作用。

3 結(jié)論

1）對(duì)扭轉(zhuǎn)軸進(jìn)行靜力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，原有扭轉(zhuǎn)軸在2倍電機(jī)額定功率下最大應(yīng)力值為489.46 MPa，未超過(guò)材料斷裂扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度值508 MPa，卸荷槽無(wú)法及時(shí)斷裂。

2）根據(jù)擬合曲線(xiàn)對(duì)2倍電機(jī)額定功率下不同卸荷槽尺寸下的應(yīng)力進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)R值為29.9 mm時(shí)，卸荷槽最大剪切應(yīng)力為508.24 MPa，超過(guò)508 MPa，能夠及時(shí)斷裂。

3）根據(jù)擬合曲線(xiàn)對(duì)5倍電機(jī)額定功率下不同卸荷槽尺寸下的應(yīng)力進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)R值為21.3 mm時(shí)，卸荷槽最大剪切應(yīng)力為510.79 MPa，超過(guò)508 MPa，能夠及時(shí)斷裂。