采煤機(jī)截割部扭轉(zhuǎn)軸優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

史巖鵬

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地煤礦， 山西 太原 030000）

引言

我國(guó)煤礦資源儲(chǔ)量豐富但賦存條件較為復(fù)雜，在開采復(fù)雜煤層時(shí)，常常由于工作面的地質(zhì)較為復(fù)雜造成采煤機(jī)工作時(shí)受到不同強(qiáng)度載荷的沖擊發(fā)生故障，同時(shí)在采煤機(jī)進(jìn)行工作時(shí)由于夾矸造成采煤機(jī)截割部電機(jī)發(fā)生故障，造成煤礦產(chǎn)煤率降低，所以采用扭矩軸來(lái)保護(hù)截割部電機(jī)及采煤機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)。但在采煤機(jī)的實(shí)際操作過(guò)程中，由于截割部受到的載荷過(guò)大等因素造成扭矩軸未發(fā)生斷裂，不能有效地保障采煤機(jī)的安全運(yùn)行，為解決此問(wèn)題，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。閆云飛[1]以王村煤業(yè)采煤機(jī)為研究對(duì)象，研究截割電機(jī)在超載情況下扭轉(zhuǎn)軸未發(fā)生斷裂的問(wèn)題，提出一種扭矩軸的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)卸荷槽及材料的優(yōu)化，有效地解決了超載未斷裂的問(wèn)題。韓飛[2]為了保障采煤機(jī)截割部的安全運(yùn)行，在原有對(duì)采煤機(jī)過(guò)載保護(hù)的基礎(chǔ)上，利用限距器對(duì)采煤機(jī)的截割部扭轉(zhuǎn)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。趙麗娟[3]通過(guò)建立剛?cè)崽摂M樣機(jī)模型對(duì)采煤機(jī)扭轉(zhuǎn)軸的斷裂特性進(jìn)行模擬分析，并利用斷裂力學(xué)理論對(duì)采煤機(jī)扭轉(zhuǎn)軸的受力進(jìn)行研究，為后續(xù)的對(duì)采煤機(jī)扭轉(zhuǎn)軸的優(yōu)化提供一定的借鑒。譚永躍[4]為了提升采煤機(jī)搖臂扭矩軸的安全槽過(guò)載保護(hù)性能，利用ANSYS數(shù)值模擬軟件對(duì)扭轉(zhuǎn)軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)合扭轉(zhuǎn)靜強(qiáng)度的安全系數(shù)，得到了安全槽的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，有效地提升了采煤機(jī)搖臂的安全性。本文通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)采煤機(jī)扭轉(zhuǎn)軸的三種槽型進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過(guò)對(duì)比分析給出了扭矩軸卸荷槽最優(yōu)尺寸及槽型。

1 三種槽型應(yīng)力對(duì)比分析

采煤機(jī)截割部的扭轉(zhuǎn)軸其實(shí)際是一根傳動(dòng)軸，在扭轉(zhuǎn)軸的端頭位置設(shè)置為空心圓軸直齒漸開線花鍵形狀，用于動(dòng)力的傳遞。在采煤機(jī)工作過(guò)程中，當(dāng)截割電機(jī)所受的載荷強(qiáng)度大于額定負(fù)載時(shí)，此時(shí)的采煤機(jī)搖臂部位的扭轉(zhuǎn)軸發(fā)生斷裂，及時(shí)保證電機(jī)的安全。所以在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)時(shí)需要在接觸電機(jī)的位置進(jìn)行卸荷槽的設(shè)計(jì)，用于實(shí)現(xiàn)過(guò)載斷裂，保證采煤機(jī)截割系統(tǒng)的安全。

為了對(duì)扭轉(zhuǎn)軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文利用abaqus數(shù)值模擬軟件對(duì)不同槽型（U型、V型、I型）的扭轉(zhuǎn)軸進(jìn)行模擬。首先進(jìn)行模型的建模。模型的建模利用Solidworks進(jìn)行模型的建立，分別對(duì)U型、V型、I型三種槽型的扭轉(zhuǎn)軸進(jìn)行建模。模型尺寸建立后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文網(wǎng)格劃分選用四邊形劃分法，完成網(wǎng)格劃分后對(duì)模型進(jìn)行材料屬性設(shè)置，根據(jù)扭轉(zhuǎn)軸的實(shí)際力學(xué)參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置，對(duì)模型的邊界條件及載荷進(jìn)行設(shè)置，提交作業(yè)進(jìn)行模擬計(jì)算。

首先對(duì)U型槽型最小截面尺寸（直徑）分別為55 mm和57 mm的模型進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果圖如1所示。

圖1 U型槽不同橫截面最小尺寸（直徑）應(yīng)力（MPa）對(duì)比圖

根據(jù)圖1可以看出，當(dāng)橫截面最小直徑為55 mm時(shí)，此時(shí)應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在卸荷槽的位置，應(yīng)力的最大值為0.83 MPa，應(yīng)力值明顯較小，應(yīng)力分布較為均勻，此時(shí)模型整體的卸壓效果較好。當(dāng)橫截面的最小直徑增大至57 mm時(shí)，此時(shí)卸荷槽的應(yīng)力最大值為6.96 MPa，應(yīng)力集中效果較橫截面最小直徑55 mm時(shí)有所降低，卸荷槽的應(yīng)力集中效果減弱，扭轉(zhuǎn)軸的斷裂位置不明顯。

對(duì)V型卸荷槽進(jìn)行模擬，同樣對(duì)不同最小截面尺寸（直徑）55mm和57mm進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比圖如2所示。

圖2 V型槽不同橫截面最小尺寸（直徑）應(yīng)力（MPa）對(duì)比圖

如圖2所示，當(dāng)橫截面最小尺寸為55 mm時(shí)，此時(shí)應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在卸荷槽的位置，應(yīng)力的最大值為0.55 MPa，應(yīng)力分布較為均勻，應(yīng)力值較低，對(duì)比U型槽時(shí)應(yīng)力分布均勻性有所降低，此時(shí)卸荷槽的最大應(yīng)力值小于其工作額定載荷，在未發(fā)生超載時(shí)也會(huì)發(fā)生斷裂，所以不符合要求。當(dāng)橫截面的最小尺寸增大至57 mm時(shí)，此時(shí)卸荷槽的應(yīng)力最大值為7.75 MPa，應(yīng)力集中效果較橫截面最小直徑55 mm時(shí)有所降低，卸荷槽的應(yīng)力集中效果減弱，槽徑所受的最大應(yīng)力有所增大，但扭轉(zhuǎn)軸的斷裂位置仍不明顯。對(duì)I型卸荷槽進(jìn)行對(duì)比分析，最小截面直徑選擇55 mm和57 mm，對(duì)比圖如3所示。

如圖3所示，當(dāng)橫截面最小尺寸（直徑）為55 mm時(shí)，此時(shí)應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在卸荷槽的位置，應(yīng)力的最大值為0.87 MPa，應(yīng)力分布最為均勻，但應(yīng)力值較低，且在卸荷槽位置的應(yīng)力集中效果較差，應(yīng)力的傳遞較好。當(dāng)橫截面的最小直徑增大至57 mm時(shí)，此時(shí)卸荷槽的應(yīng)力最大值為5.76 MPa，應(yīng)力集中分布的效果較U型和V型有所加強(qiáng)，但卸荷槽的應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱，橫截面的斷裂不明顯，極易造成斷裂面的不均性。

對(duì)比三種槽型扭轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力云圖可以看出，當(dāng)卸荷槽為U行時(shí)，此時(shí)卸荷槽的應(yīng)力效果減弱，保護(hù)截割部的效果較好，且斷裂形成后，卸荷槽形成的斷面效果最為理想。當(dāng)卸荷槽選擇為V型時(shí)，此時(shí)的卸荷槽應(yīng)力集中減弱，扭矩軸的傳動(dòng)效果較差，導(dǎo)致的傳動(dòng)效果不佳。當(dāng)卸荷槽選擇為I型時(shí)，此時(shí)卸荷槽的應(yīng)力集中效果處于U型槽之后，形成的斷面形狀不明顯，影響截割機(jī)構(gòu)對(duì)扭轉(zhuǎn)軸的保護(hù)。

圖3 I型槽不同橫截面最小尺寸（直徑）應(yīng)力（MPa）對(duì)比圖

2 應(yīng)變對(duì)比及優(yōu)化

同樣對(duì)不同槽型下不同橫截面積扭轉(zhuǎn)軸的應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在橫截面尺寸（直徑）55 mm下的應(yīng)變量分別為 3.54E-05、3.27E-05、3.165E-05，三種槽型的變形量幾乎相同，將截面尺寸從55 mm提升至57 mm時(shí)，此時(shí)的卸荷槽的應(yīng)變量分別為3.28E-09、1.9E-05、3.165E-05?？梢钥闯鼋?jīng)過(guò)優(yōu)化后U型槽的抗變形能力明顯加強(qiáng)，在相同載荷下，其保護(hù)作用最為明顯，對(duì)采煤機(jī)截割部的沖擊保護(hù)最為明顯。

綜上所述，經(jīng)過(guò)對(duì)三種槽型不同尺寸卸荷槽應(yīng)力應(yīng)變的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，將卸荷槽的直徑從55 mm提升至57 mm后，應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱，較為符合電機(jī)的安全倍數(shù)，且斷裂時(shí)截面整齊，保證了傳動(dòng)的效率。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)采煤機(jī)扭轉(zhuǎn)軸在三種槽型（U型、I型及V型）進(jìn)行靜力學(xué)分析，給出了三種槽型下應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，給出了各種槽型在不同卸荷槽尺寸下的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合對(duì)比后發(fā)現(xiàn)U型卸荷槽最為合理，在發(fā)生過(guò)載情況時(shí)會(huì)及時(shí)發(fā)生斷裂，發(fā)生斷裂的位置較為集中且斷裂面較為平整，對(duì)壁55 mm和57 mm的應(yīng)力分布發(fā)現(xiàn)，直徑為57 mm時(shí)，此時(shí)扭轉(zhuǎn)軸的效果最佳。