柴朝帥
(山西焦煤 西山煤電斜溝礦,山西 呂梁 033602)
煤炭是我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要資源之一,近年來隨著機(jī)械化智能化開采的應(yīng)用,煤礦生產(chǎn)效率越來越高,同時(shí)也對煤礦機(jī)械性能提出了更高的要求。采煤機(jī)作為煤炭開采的關(guān)鍵設(shè)備,其工作環(huán)境條件惡劣,可靠性要求很高。截割部作為采煤機(jī)的組成部件,采煤過程中截割部直接承受著切割煤巖產(chǎn)生的交變載荷。為了避免過巖或夾矸引起截割電機(jī)過載導(dǎo)致截割電機(jī)憋住損毀,會在截割電機(jī)與主傳動(dòng)系統(tǒng)之間設(shè)置扭矩軸,除了傳動(dòng)功能外,截割部過載時(shí)扭矩軸會斷裂,從而起到過載保護(hù)的作用。但是在采煤機(jī)實(shí)際工作過程中,經(jīng)常出現(xiàn)扭矩軸過載不斷裂的現(xiàn)象,未發(fā)揮過載保護(hù)的功能;還有時(shí)候出現(xiàn)未過載但扭矩軸斷裂的情況,直接影響采煤機(jī)的正常工作。基于斜溝煤礦MG900/2210-GWD 型采煤機(jī)截割部扭矩軸,運(yùn)用有限元仿真分析方法,開展采煤機(jī)扭矩軸結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)與優(yōu)選工作。
采煤機(jī)截割部扭矩軸工作過程中不僅其過載保護(hù)的作用,還起運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳動(dòng)的作用。截割部扭矩軸的常見結(jié)構(gòu)形式端頭為空心圓柱直齒漸開線花鍵結(jié)構(gòu),以花鍵套配合實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳動(dòng)。截割部在截割煤炭的時(shí)候,一旦出現(xiàn)截割滾筒過載超出扭矩軸額定承載負(fù)荷時(shí),扭矩軸就會斷裂,保護(hù)截割電機(jī),避免電機(jī)燒毀。為了實(shí)現(xiàn)扭矩軸的雙重功能,會在扭矩軸靠近截割電機(jī)的一端設(shè)計(jì)卸荷槽,過載時(shí)卸荷槽位置優(yōu)先斷裂,以此保護(hù)截割電動(dòng)與截割部傳動(dòng)系統(tǒng)。卸荷槽的結(jié)構(gòu)形式包括三種,分別為U 型、V 型、I 型,如圖1 所示。為了驗(yàn)證哪一種卸荷槽結(jié)構(gòu)更適合MG900/2210-GWD 型采煤機(jī),運(yùn)用ANSYS 仿真分析軟件開展不同結(jié)構(gòu)形式卸荷槽強(qiáng)度分析,為采煤機(jī)優(yōu)選出合適的扭矩軸卸荷槽結(jié)構(gòu)形式,以提高采煤機(jī)工作的可靠性。
圖1 卸荷槽結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structure form of unloading groove
截割部扭矩軸強(qiáng)度分析采用ANSYS 仿真分析方法,建立扭矩軸三維模型,雖然ANSYS 仿真分析軟件可以完成扭矩軸三維模型建立,但是相較于常用的三維建模軟件SolidWorks、Pre/E 等操作流程較為復(fù)雜,因此此次扭矩軸三維模型采用SolidWorks 完成,卸荷槽的直徑尺寸為55 mm,另存為.igs 中間格式之后導(dǎo)入ANSYS 仿真分析軟件。
完成扭矩軸三維模型建立之后需要在ANSYS仿真分析軟件中進(jìn)行前處理,完成扭矩軸材料屬性的設(shè)置和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的劃分。根據(jù)實(shí)際情況,MG900/2210-GWD 型采煤機(jī)扭矩軸材料為40Cr,彈性模量E=211 GPa,泊松比λ=0.277,屈服強(qiáng)度σ=785 MPa,抗剪強(qiáng)度為471 MPa。材料屬性參數(shù)直接在ANSYS 仿真軟件中進(jìn)行設(shè)置即可。材料屬性設(shè)置完成后進(jìn)行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的劃分,扭矩軸結(jié)構(gòu)較為簡單,選擇實(shí)體單元,設(shè)置扭矩軸網(wǎng)格尺寸為1 mm,之后啟動(dòng)網(wǎng)格劃分工具完成扭矩軸網(wǎng)格劃分工作。
采煤機(jī)扭矩軸工作時(shí)一端連接著截割電機(jī)輸出端,另一端連接截割部傳動(dòng)系統(tǒng)輸出端,正常工作時(shí)負(fù)責(zé)動(dòng)力的傳動(dòng),只有出現(xiàn)過載時(shí)才發(fā)揮扭矩軸過載保護(hù)的作用。仿真計(jì)算時(shí)固定扭矩軸的一端,在另一端設(shè)置一個(gè)扭矩。采煤機(jī)型號為MG900/2210GWD,查閱相關(guān)資料可知電動(dòng)機(jī)型號為YBCS2-900,電機(jī)額定功率為900 kW,額定電壓數(shù)值為3 300 V。電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過載時(shí),扭矩軸需要在3~5 s 內(nèi)斷開,以保護(hù)電動(dòng)機(jī)。為了確保扭矩軸能夠起到過載保護(hù),在扭矩軸上設(shè)置卸荷槽,要求卸荷槽斷裂扭矩低于電機(jī)過載時(shí)的扭矩值。通常電機(jī)過載是指超過電動(dòng)機(jī)額定扭矩2.5 倍,為了更好的保護(hù)電動(dòng)機(jī),卸荷槽的最大承載扭矩不超過輸出扭矩的2.2 倍為宜。根據(jù)斜溝煤礦MG900/2210-GWD 型采煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況,計(jì)算得出扭矩軸施加的扭矩?cái)?shù)值為14 500.56 N·m。
運(yùn)用ANSYS 仿真分析軟件進(jìn)行采煤機(jī)截割部扭矩軸前處理之后打開軟件內(nèi)部的求解器,選擇分析結(jié)果選項(xiàng),扭矩軸的主要考察內(nèi)容為扭矩軸強(qiáng)度,此處選擇扭矩軸的等效應(yīng)力分布云圖為仿真計(jì)算結(jié)果輸出。為了更好的分析不同結(jié)構(gòu)形式卸荷槽對扭矩軸變形程度的影響,此處還要提取扭矩軸的等效應(yīng)變分布云圖進(jìn)行對比,以便確定最佳的卸荷槽結(jié)構(gòu)形式。
待采煤機(jī)截割部扭矩軸靜強(qiáng)度分析工作完成之后提取U 型結(jié)構(gòu)卸荷槽的等效應(yīng)力分布云圖和等效變形分布云圖,分別如圖2 和圖3 所示。由圖2的等效應(yīng)力分布云圖可以看出,U 型結(jié)構(gòu)卸荷槽最大載荷工況下工作時(shí)的最大剪切應(yīng)力數(shù)值為469.4 MPa,相較于扭矩軸許用剪切應(yīng)力471 MPa,已經(jīng)達(dá)到斷裂的臨界狀態(tài),且U 型結(jié)構(gòu)卸荷槽的應(yīng)力集中處于槽底位置,集中位置的應(yīng)力分布較為均勻,能夠取得很好的卸荷效果。由圖3 等效應(yīng)變分布云圖可以看出,U 型結(jié)構(gòu)卸荷槽的等效應(yīng)變數(shù)值為3.540×10-5,位置處于U 型結(jié)構(gòu)卸荷槽的底部,應(yīng)變數(shù)值較小,不會對截割部傳動(dòng)產(chǎn)生較大的波動(dòng),可以保證采煤機(jī)穩(wěn)定可靠工作。
圖2 U型結(jié)構(gòu)卸荷槽等效應(yīng)力分布云圖Fig.2 Equivalent stress distribution cloud diagram of type U structure unloading groove
圖3 U型結(jié)構(gòu)卸荷槽等效應(yīng)變分布云圖Fig.3 Equivalent strain distribution cloud diagram of U-shaped unloading groove
待采煤機(jī)截割部扭矩軸靜強(qiáng)度分析工作完成之后提取V 型結(jié)構(gòu)卸荷槽的等效應(yīng)力分布云圖和等效變形分布云圖,分別如圖4 和圖5 所示。由圖4的等效應(yīng)力分布云圖可以看出,V 型結(jié)構(gòu)卸荷槽最大載荷工況下工作時(shí)的最大剪切應(yīng)力數(shù)值為486.6 MPa,超出了扭矩軸材料的許用應(yīng)力471 MPa,且相較于U 型結(jié)構(gòu)卸荷槽的等效應(yīng)力分布云圖,V型結(jié)構(gòu)卸荷槽應(yīng)力集中位置的分布不夠均勻。因此,V 型結(jié)構(gòu)卸荷槽會在未達(dá)到過載限值條件下就出現(xiàn)扭矩軸斷裂,增加采煤機(jī)運(yùn)行維護(hù)成本。由圖5 等效應(yīng)變分布云圖可以看出,V 型卸荷槽工作過程中的等效應(yīng)變數(shù)值為3.279×10-5,與U 型結(jié)構(gòu)卸荷槽的應(yīng)變情況相差不大,不會對截割部傳動(dòng)產(chǎn)生明顯的影響,可以保證采煤機(jī)穩(wěn)定可靠工作。
圖4 V型結(jié)構(gòu)卸荷槽等效應(yīng)力分布云圖Fig.4 Equivalent stress distribution cloud diagram of type V structure unloading groove
圖5 V型結(jié)構(gòu)卸荷槽等效應(yīng)變分布云圖Fig.5 Equivalent strain distribution cloud diagram of V-type structure unloading groove
待采煤機(jī)截割部扭矩軸靜強(qiáng)度分析工作完成之后提取I 型結(jié)構(gòu)卸荷槽的等效應(yīng)力分布云圖和等效變形分布云圖,分別如圖6 和圖7 所示。由圖6 的等效應(yīng)力分布云圖可以看出,I 型結(jié)構(gòu)卸荷槽最大載荷工況下工作時(shí)的最大剪切應(yīng)力數(shù)值為462.4 MPa,應(yīng)力集中數(shù)值與U 型結(jié)構(gòu)卸荷槽接近,但是應(yīng)力集中分布不均勻。因此,對比U 型結(jié)構(gòu)卸荷槽和V 型結(jié)構(gòu)卸荷槽來說,I 型結(jié)構(gòu)卸荷槽的應(yīng)力集中較輕,在遇到扭矩電機(jī)過載之后不會迅速出現(xiàn)斷裂,能夠可靠的傳遞動(dòng)力,但由于卸荷槽應(yīng)力集中分布不均,扭矩軸斷裂之后的斷裂形式不確定,可能出現(xiàn)較大的斷裂區(qū)域,影響其他傳動(dòng)部件的安全工。由圖7 等效應(yīng)變分布云圖可以看出,I 型卸荷槽工作過程中的等效應(yīng)變數(shù)值為3.14×10-5,與U 型結(jié)構(gòu)卸荷槽和V 型結(jié)構(gòu)卸荷槽的應(yīng)變情況相差不大,不會對截割部傳動(dòng)產(chǎn)生明顯的影響,可以保證采煤機(jī)穩(wěn)定可靠工作。
圖6 I 型結(jié)構(gòu)卸荷槽等效應(yīng)力分布云圖Fig.6 Equivalent stress distribution cloud diagram of type I structure unloading groove
圖7 I 型結(jié)構(gòu)卸荷槽等效應(yīng)變分布云圖Fig.7 Equivalent strain distribution cloud diagram of type I structure unloading groove
根據(jù)圖2~圖7 不同結(jié)構(gòu)形式卸荷槽仿真計(jì)算結(jié)果可以看出,U 型結(jié)構(gòu)卸荷槽的應(yīng)力集中情況較為適中,工作過程中不僅能夠起到保護(hù)截割電機(jī)的作用,還能夠保證截割部動(dòng)力的正常傳遞,應(yīng)力集中分布均勻,一旦出現(xiàn)過載斷裂,斷裂面的效果較好。V 型結(jié)構(gòu)卸荷槽應(yīng)力集中數(shù)值較低,使用過程中一旦出現(xiàn)很小的過載情況就會出現(xiàn)扭矩軸斷裂,不能保證扭矩的可靠傳遞,出現(xiàn)截割電機(jī)傳動(dòng)效率不足的情況。對比上述兩種卸荷槽結(jié)構(gòu)形式,I 型結(jié)構(gòu)的卸荷槽應(yīng)力集中最大,與U 型結(jié)構(gòu)卸荷槽應(yīng)力集中數(shù)值相當(dāng),但是應(yīng)力集中分布不均勻,過載斷裂過程中會出現(xiàn)斷裂面不確定的情況,存在損傷其他零部件的可能,影響到截割機(jī)構(gòu)安全與對扭轉(zhuǎn)軸的保護(hù)作用。
扭矩軸作為采煤機(jī)截割部正常運(yùn)行的傳動(dòng)構(gòu)件和過載保護(hù)構(gòu)件,其工作的可靠性不僅關(guān)系著采煤機(jī)的正常工作,還與采煤機(jī)的安全運(yùn)行息息相關(guān),必須引起設(shè)計(jì)者和使用者的高度重視。本文基于斜溝煤礦MG900/2210-GWD 型采煤機(jī)截割部扭矩軸進(jìn)行研究,運(yùn)用有限元仿真方法,對3 種卸荷槽結(jié)構(gòu)形式下扭矩軸的設(shè)計(jì)與靜強(qiáng)度進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,U 型結(jié)構(gòu)卸荷槽應(yīng)力集中分布情況比較均勻,且數(shù)值合適,可以滿足應(yīng)用要求;V 型結(jié)構(gòu)卸荷槽破斷應(yīng)力數(shù)值較小,一旦出現(xiàn)輕微過載就會斷裂,過載保護(hù)功能較弱;I 型結(jié)構(gòu)的卸荷槽應(yīng)力與U 型結(jié)構(gòu)相似,但應(yīng)力集中分布不均勻,過載斷裂斷面不確定,存在斷裂影響其他傳動(dòng)結(jié)構(gòu)安全的可能。綜合上述,U 型結(jié)構(gòu)卸荷槽能夠起到很好的傳動(dòng)和過載保護(hù)效果,是采煤機(jī)截割部扭矩軸較為理想的結(jié)構(gòu)形式。