高鳳偉
(趙莊煤業(yè)有限公司,山西 長(zhǎng)治 046000)
我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富,但賦存不均,由于煤礦資源是我國(guó)最為重要的一次性能源,因此隨著煤炭資源的開采量不斷增加,我國(guó)煤炭資源賦存簡(jiǎn)單的煤層大部分已經(jīng)得到開采,所以目前我國(guó)煤炭資源的開采重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)移至賦存條件較為復(fù)雜的煤層。在進(jìn)行復(fù)雜煤層開采時(shí),煤礦機(jī)械的穩(wěn)定性是十分關(guān)鍵的,煤礦機(jī)械效率及穩(wěn)定性越好,煤炭資源的開采效率越高。采煤機(jī)作為我國(guó)主要的煤礦開采設(shè)備,其工作性能直接關(guān)系到煤炭的產(chǎn)量。由于工況環(huán)境較為惡劣,造成采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)受力十分復(fù)雜[1-2],極易造成采煤機(jī)電機(jī)發(fā)生損壞。扭矩軸是保護(hù)截割電機(jī)極為重要的元件,提升扭矩軸的性能對(duì)于保證采煤機(jī)工作效率十分重要,此前眾多學(xué)者對(duì)采煤機(jī)扭矩軸進(jìn)行過(guò)一定的研究[3-4],本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)采煤機(jī)扭矩軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),為采煤機(jī)正常工作提供一定的保障。
為了對(duì)采煤機(jī)扭矩軸卸荷槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),首先對(duì)扭矩軸的卸荷槽進(jìn)行靜力學(xué)分析,計(jì)算在固定荷載下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變情況。首先選定ABAQUS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模型的建立,模型的建立選定CAD建模導(dǎo)入,導(dǎo)入模型后對(duì)模型的材料進(jìn)行選定,由于扭矩軸的芯部需要一定的強(qiáng)度和剛度,所以選定扭矩軸的材料為42CrMo,材料的彈性模量為210 GPa,屈服應(yīng)力為900 MPa,材料的密度及泊松比分別為9.8 g/cm3和0.3,完成模型材料屬性設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),充分考慮分析需求,保證一定的計(jì)算時(shí)間要求的同時(shí),滿足計(jì)算精度的要求,綜合考慮后選定四面體C3D8R進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在扭矩軸的卸荷槽部位進(jìn)行細(xì)劃分,劃分完成后共有22 803個(gè)單元,完成模型網(wǎng)格劃分后對(duì)模型的邊界條件和加載進(jìn)行設(shè)定。通過(guò)電機(jī)的計(jì)算功率及轉(zhuǎn)速得出扭矩設(shè)定值為7 233 N·m,固定模型的邊界,完成模型設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算分析,本文僅展示U型卸荷槽下扭矩軸的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D(見圖1)。
圖1 U型槽下扭矩軸應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D
通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行模擬分析,發(fā)現(xiàn)在三種卸荷槽形狀下,扭矩軸的最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置均為軸頸部的位置,且應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯,其中V型卸荷槽下扭矩軸的最大應(yīng)力值達(dá)到507 MPa,應(yīng)力值最大,I型卸荷槽下扭矩軸的最大應(yīng)力值為454 MPa,U型卸荷槽下扭矩軸的最大應(yīng)力值為436 MPa,較V型卸荷槽最大應(yīng)力降低了71 MPa,最大應(yīng)力值是三種槽型中最小的。分析三種槽型下扭矩軸的變形情況可以看出,在U型卸荷槽下扭矩軸的變形量最小,最小是為1.43×10-3mm,應(yīng)變最大值出現(xiàn)在軸頸部??紤]到三種槽型下的最大應(yīng)力值均小于材料的屈服極限,所以三種卸荷槽應(yīng)力均滿足要求的情況下選定U型槽可以很好地限制扭矩軸的變形。
在選定U型槽后,對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下扭矩軸的力學(xué)性能進(jìn)行分析。
選定槽深h分別為7 mm、8 mm、9 mm和10 mm分別進(jìn)行模擬計(jì)算,將不同槽深下扭矩軸的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比分析如圖2所示。
圖2 不同槽深下沿路徑應(yīng)力應(yīng)變曲線
如圖2可以看出,不同卸荷槽深度下隨著U型槽前沿角的增大,扭矩軸的應(yīng)力呈現(xiàn)先快速增加后緩慢增加的趨勢(shì),同時(shí)根據(jù)應(yīng)力云圖可以看出,卸荷槽兩端受力呈現(xiàn)對(duì)稱分布的趨勢(shì),對(duì)稱軸為扭矩軸的中軸線,在卸荷槽槽口底部出現(xiàn)應(yīng)力集中,且應(yīng)力最大值同樣出現(xiàn)在此位置,隨著距離槽底距離的增大,應(yīng)力集中現(xiàn)象逐步減弱,深度7 mm時(shí),扭矩軸的應(yīng)力最大值為401 MPa,當(dāng)槽深增大至8 mm時(shí),此時(shí)的應(yīng)力最大值為451,較槽深7 mm時(shí)增大了50 MPa,當(dāng)槽深增大至9 mm時(shí),此時(shí)的應(yīng)力最大值為482,較槽深7 mm時(shí)增大了81 MPa,當(dāng)槽深增大至10 mm時(shí),此時(shí)的應(yīng)力最大值為534,較槽深7 mm時(shí)增大了133 MPa,此時(shí)的應(yīng)力值最大。對(duì)比槽深對(duì)應(yīng)變的影響可以看出,槽深對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響效果幾乎相似,隨著槽深的增大,扭矩軸的應(yīng)變也呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢(shì),當(dāng)槽深為7 mm時(shí),此時(shí)的變形量最大僅為2.754×10-3mm,在槽深10 mm的位置應(yīng)變最大,最大值為5.504×10-3mm。通過(guò)分析可以看出,最佳的槽深為7 mm。
選定槽寬t分別為3 mm、3.5 mm、4 mm和4.5 mm分別進(jìn)行模擬計(jì)算,將不同槽寬下扭矩軸的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比分析如圖3所示。
圖3 不同槽寬下沿路徑應(yīng)力應(yīng)變曲線
從圖3可以看出,不同卸荷槽槽寬下應(yīng)力曲線在U型前沿角為5°以下時(shí),應(yīng)力曲線幾乎重合,此時(shí)說(shuō)明槽寬對(duì)扭矩軸的應(yīng)力影響在此范圍內(nèi)時(shí)較小,甚至可以說(shuō)無(wú)影響;當(dāng)U型前沿角大于5°時(shí),此時(shí)隨著槽寬的增大扭矩軸的最大應(yīng)力值呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì),同時(shí)隨著U型前沿角的增大,扭矩軸的應(yīng)力值逐步增大;當(dāng)槽寬為3.5 mm時(shí),此時(shí)的應(yīng)力最大值最小僅為330.5 MPa,當(dāng)卸荷槽的槽寬增大至4.5 mm時(shí),此時(shí)的應(yīng)力值最大為465 MPa,最大值降低了134.5 MPa,應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出隨著U型前沿角的增大逐步增大的趨勢(shì),增長(zhǎng)的趨勢(shì)類似,同時(shí)隨著槽寬的增大,扭矩軸的變形量逐步增大,綜合比較可以得出最佳的槽寬為4 mm。
卸荷槽軸向位置L0作為唯一變量,選定L0分別為290 mm、300 mm、310 mm、320 mm,對(duì)不同卸荷槽軸向位置下扭矩軸應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析如下頁(yè)圖4所示。
圖4 不同軸向位置下沿路徑應(yīng)力應(yīng)變曲線
從圖4可以看出,隨著U型槽前沿角的增大,不同軸向位置下沿路徑應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢(shì),同時(shí)對(duì)比可以看出,當(dāng)L0為320 mm時(shí),此時(shí)的應(yīng)力最大值為460 MPa;當(dāng)L0為300 mm時(shí),此時(shí)的應(yīng)力最大值最小僅為352 MPa,較軸向位置L0=300 mm降低了108 MPa,對(duì)比不同卸荷槽軸向位置下扭矩軸應(yīng)變曲線可以看出,最大的變形量出現(xiàn)在軸向位置L0=320 mm的位置,此時(shí)的最大變形量為3.26×10-3mm,當(dāng)U型槽前沿角在0°~5°時(shí),此時(shí)的位移變形最為劇烈,最小的變形量出現(xiàn)在軸向位置L0=300 mm的位置,此時(shí)的最大變形量為2.98×10-3mm,所以最佳的軸向位置L0=300 mm最佳。
1)通過(guò)對(duì)比三種槽型應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D可以看出,三種槽型下的最大應(yīng)力值均小于材料的屈服極限,同時(shí)U型槽應(yīng)變值最小。
2)對(duì)比不同槽深及不同槽寬下扭矩軸的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以得出,最佳的扭矩軸槽深和槽寬分別為7 mm和4 mm。
3)對(duì)比不同軸向位置下扭矩軸的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以得出,當(dāng)L0=300 mm時(shí),此時(shí)的扭矩軸效果最佳。