采煤機(jī)扭矩軸喉頸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

馬澤賢

（山西焦煤集團(tuán)西山煤電有限責(zé)任公司白家莊礦業(yè)公司，山西 太原 030000）

引言

滾筒采煤機(jī)是煤礦行業(yè)中重要的機(jī)械設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，任何一個(gè)結(jié)構(gòu)零部件出現(xiàn)問題都會(huì)影響整個(gè)機(jī)械設(shè)備的正常工作[1-2]。扭矩軸是采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要零部件，在采煤機(jī)中發(fā)揮著重要作用，如傳遞扭矩、保護(hù)其他重要結(jié)構(gòu)件等[3-4]。功能的特殊性決定了扭矩軸強(qiáng)度必須要適中，強(qiáng)度太大或過小均不利于采煤機(jī)的穩(wěn)定工作。本文對(duì)某型號(hào)采煤機(jī)扭矩軸喉頸部位的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了良好的效果，保障了采煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 采煤機(jī)扭矩軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能分析

采煤機(jī)在正常工作過程中由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力需經(jīng)過扭矩軸才能夠傳遞到采煤機(jī)搖臂，進(jìn)而完成采煤工作。扭矩軸的兩端都是通過花鍵方式與其他零部件進(jìn)行連接，連接的零部件分別為電動(dòng)機(jī)和搖臂軸。扭矩軸在與電動(dòng)機(jī)臨近側(cè)設(shè)計(jì)有一個(gè)喉頸，喉頸的結(jié)構(gòu)形式有很多種，常見的有U 型、V 型和圓型[5-6]。采煤機(jī)扭矩軸的作用主要表現(xiàn)在下述幾個(gè)方面：

1）傳遞動(dòng)力。采煤機(jī)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力必須通過扭矩軸才能夠傳遞到工作部件，扭矩軸與其他零部件通過花鍵的形式進(jìn)行連接。雖然整體體積相對(duì)較小，但是能夠傳遞的扭矩較大。

2）緩沖減振。采煤機(jī)扭矩軸是一個(gè)長寬比較大的零部件，因此具備一定的柔性。當(dāng)采煤機(jī)遇到外界較大瞬間沖擊力時(shí)，扭矩軸可以在中間起到緩沖的作用，確保了整個(gè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

3）過載保護(hù)。扭矩軸的強(qiáng)度與其他重要零部件相比較而言較低，如果采煤機(jī)在工作過程中遇到嚴(yán)重的超載現(xiàn)象，如滾筒被突然卡住無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但電動(dòng)機(jī)卻在不停地輸出動(dòng)力。此時(shí)若沒有扭矩軸，這種現(xiàn)象勢(shì)必會(huì)對(duì)減速器齒輪、電動(dòng)機(jī)等重要零部件和電氣設(shè)備造成損傷，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致零部件報(bào)廢。而扭矩軸在中間可以起到保護(hù)的作用，當(dāng)外界力達(dá)到一定程度時(shí)，由于扭矩軸的強(qiáng)度相對(duì)較低，因此會(huì)首先發(fā)生斷裂，從而達(dá)到保護(hù)減速器齒輪和電動(dòng)機(jī)的目的。

2 采煤機(jī)扭矩軸模型的建立

2.1 三維模型的建立

某型號(hào)滾筒采煤機(jī)扭矩軸喉頸形狀為U 型，根據(jù)扭矩軸的真實(shí)尺寸利用UG 三維造型軟件繪制三維模型。扭矩軸的主要作用為傳遞扭矩，兩端實(shí)際均為花鍵形狀，但本文的研究重點(diǎn)是扭矩軸喉頸部分，花鍵復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀會(huì)在很大程度上延長模型計(jì)算時(shí)間。因此，為了降低模型的復(fù)雜性以縮短有限元模型計(jì)算時(shí)間，在三維造型時(shí)將花鍵結(jié)構(gòu)形狀省略，不會(huì)對(duì)本文的計(jì)算結(jié)果造成很大影響。在UG 中完成三維模型繪制工作后將其導(dǎo)出為STL 文件格式。

2.2 有限元模型的建立

將建立好的三維模型導(dǎo)入ABAQUS 非線性有限元軟件中。首先需要對(duì)模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量越多計(jì)算結(jié)果越精確，但需要花費(fèi)較長的計(jì)算時(shí)間，相反的，如果網(wǎng)格較粗糙，則計(jì)算時(shí)間相對(duì)較短，所得結(jié)果精度有限。本研究采用非均勻網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在保障計(jì)算結(jié)果精度的同時(shí)盡可能縮短模型計(jì)算時(shí)間。扭矩軸喉頸部分是本文研究的重點(diǎn)，因此在這部分區(qū)域附近將網(wǎng)格劃分得較細(xì)，以提升該部分的計(jì)算精度，其他部分則采用相對(duì)較粗糙的網(wǎng)格，以縮短模型計(jì)算時(shí)間。另外，采用的網(wǎng)格類型為四面體單元網(wǎng)格。

材料屬性設(shè)置的準(zhǔn)確性同樣會(huì)影響計(jì)算結(jié)果。在實(shí)際生產(chǎn)制作中，42CrMoA 為制作扭矩軸的常見材料，所以本文以此種材料為例進(jìn)行分析計(jì)算。該材料的彈性模量和泊松比分別為2.1×1011Pa 和0.27，抗壓強(qiáng)度極限為1 300 MPa。再就是設(shè)置模型的邊界條件和外部載荷。扭矩軸在工作時(shí)主要受扭矩作用，不會(huì)發(fā)生軸向方向移動(dòng)，所以本文研究扭矩軸在受到外界扭矩作用時(shí)的受力情況。設(shè)置扭矩軸右端部分完全固定，即六個(gè)自由度全部被限制，將外界扭矩施加在左端部分。現(xiàn)有采煤機(jī)上的最大牽引力值設(shè)置為1 000 kN，故在建模過程中，經(jīng)過公式計(jì)算后，在扭矩軸上施加的扭矩為176 563 N·m。如圖1 所示為采煤機(jī)扭矩軸的有限元模型。

圖1 采煤機(jī)扭矩軸的有限元模型

3 扭矩軸受力分析結(jié)果分析

對(duì)建立好的扭矩軸有限元模型進(jìn)行受力分析計(jì)算，如圖2 所示為采煤機(jī)扭矩軸受力分析結(jié)果。從圖中可以看出，扭矩軸最大應(yīng)力值達(dá)到了1 493 MPa，其最大應(yīng)力值出現(xiàn)的部位就是喉頸位置。查閱資料可以發(fā)現(xiàn)，本文使用材料的抗壓強(qiáng)度值為1 300 MPa左右。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，金屬材料的許用剪切應(yīng)力值通常為抗壓強(qiáng)度值的0.6 倍，所以可以計(jì)算得到42CrMoA 材料的許用剪切應(yīng)力值為780 MPa。采用傳統(tǒng)方法對(duì)零部件進(jìn)行校核時(shí)，無法顧及零部件的應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以有時(shí)采用傳統(tǒng)方法校核得到的零部件，在實(shí)際使用過程中存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 采煤機(jī)扭矩軸受力分析結(jié)果

4 扭矩軸喉頸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于上述有限元分析結(jié)果可以看出，扭矩軸喉頸部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于采煤機(jī)工作的穩(wěn)定性。本文通過兩種方案對(duì)扭矩軸喉頸部位形狀進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，以期達(dá)到降低該部位應(yīng)力集中的目的。如圖3 所示為兩種優(yōu)化改進(jìn)方案的結(jié)構(gòu)圖。第一種方案：移動(dòng)圓心點(diǎn)位置，并且將半徑擴(kuò)大至15 mm，喉頸位置的最小直徑保持不變，為121 mm。第二種方案：對(duì)喉頸部位形狀的變化梯度進(jìn)行優(yōu)化，使半徑的變化程度降低，中間為平緩過渡，具體尺寸見圖3。

圖3 兩種優(yōu)化改進(jìn)方案的結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

對(duì)采煤機(jī)扭矩軸喉頸部位的形狀尺寸進(jìn)行優(yōu)化改善，然后利用同樣的方法對(duì)其進(jìn)行建模分析計(jì)算，設(shè)置的材料屬性、邊界條件和外界載荷全部相同。如圖4 所示為兩種方案得到的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，第一種方案得到的最大應(yīng)力值為1 075 MPa，雖然與原始結(jié)構(gòu)形狀的最大應(yīng)力值相比有所降低，但仍然比材料許用剪切應(yīng)力值要大很多，第一種優(yōu)化方案不值得推薦。第二種優(yōu)化方案計(jì)算得到的最大應(yīng)力值為752 MPa，與原始結(jié)構(gòu)形狀和第一種優(yōu)化方案相比較，喉頸部位的最大應(yīng)力值出現(xiàn)了顯著降低，且降低到了材料的最大許用剪切應(yīng)力值780 MPa 以下?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果可以看出第二種優(yōu)化方案能夠滿足實(shí)際使用需要。

圖4 兩種優(yōu)化改進(jìn)方案的受力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率為額定輸出功率的2.5 倍時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部元件將會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷。從保護(hù)電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出功率達(dá)到一定程度時(shí)，扭矩軸需要被扭斷。當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出功率為額定功率的2.5 倍時(shí)，經(jīng)過計(jì)算得到扭矩軸承受的扭矩大小為193 292 N·m。將該數(shù)據(jù)代入有限元模型中再次計(jì)算，可以得到扭矩軸喉頸部位的最大應(yīng)力值為910 MPa，該數(shù)據(jù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料的最大許用剪切應(yīng)力值?？梢?，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸出功率為額定功率的2.5 倍時(shí)，扭矩軸早已經(jīng)被扭斷，可以起到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的作用。

綜上所述，根據(jù)第二種優(yōu)化方案，對(duì)扭矩軸喉頸部位的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行優(yōu)化改善，不僅能夠保證扭矩軸正常工作的穩(wěn)定性，同時(shí)還能夠確保電動(dòng)機(jī)輸出功率較大時(shí)，扭矩軸能夠及時(shí)扭斷，達(dá)到保護(hù)電動(dòng)機(jī)的目的。將本文的研究方案應(yīng)用到實(shí)際中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)取得了較好的應(yīng)用效果。在一年時(shí)間的實(shí)踐應(yīng)用中，采煤機(jī)正常工作時(shí)未出現(xiàn)扭矩軸故障導(dǎo)致的停機(jī)事件。

5 結(jié)論

扭矩軸是采煤機(jī)中重要的結(jié)構(gòu)件，不僅要傳輸電動(dòng)機(jī)的輸出扭距至工作部件完成采煤工作，同時(shí)還必須具備一定的緩沖作用，達(dá)到保護(hù)采煤機(jī)重要零部件的作用。本文對(duì)扭矩軸喉頸部位的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了良好的效果。優(yōu)化改進(jìn)后，當(dāng)采煤機(jī)處于較大牽引力時(shí)，扭矩軸喉頸部位的應(yīng)力沒有超過材料的最大許用應(yīng)力，提升的扭矩軸的服役穩(wěn)定性和可靠性。且最大應(yīng)力值比較接近許用應(yīng)力值，當(dāng)采煤機(jī)遇到突發(fā)情況，電動(dòng)機(jī)輸出功率進(jìn)一步增大時(shí)，扭矩軸承受的扭矩將會(huì)超過材料的許用值，最終使扭矩軸斷裂，達(dá)到保護(hù)采煤機(jī)重要零部件的目的。