采煤機扭矩軸承載性能的仿真研究

趙 虎

（晉能控股煤業(yè)集團四臺礦， 山西 大同 037000）

引言

我國具有儲量豐富的煤炭資源，采煤機是進行煤炭開采的重要設(shè)備，目前我國使用的主要是滾筒式采煤機。滾筒式采煤機采用滾筒自動截割的方式進行煤炭的開采，可以降低井下作業(yè)人員的工作強度，提高煤礦開采的安全性。在采煤機進行開采的過程中，由于井下工作條件復(fù)雜，且煤層分布不均，采煤機所受到的負載復(fù)雜多變，對采煤機的性能具有較高的要求。

為使采煤機設(shè)備避免由于受到較大的載荷或沖擊作用而受損，通常將扭矩軸安裝于截割滾筒和傳動系統(tǒng)之間。扭矩軸作為過載保護的裝置，當有較大的載荷或沖擊作用時，扭矩軸設(shè)有卸荷槽結(jié)構(gòu)[1]，可以及時斷裂，避免截割電機受到損壞，在正常工作過程中，扭矩軸的存在可以起到一定的減振作用，使得截割部分的傳動更加平穩(wěn)。因此，扭矩軸斷裂值的設(shè)定對于采煤機的運行具有直接的影響，過大或過小的斷裂值都會影響采煤機的壽命及效率[2]。對采煤機扭矩軸的承載進行分析，可以更加有效地設(shè)定扭矩軸的斷裂值，優(yōu)化扭矩軸的結(jié)構(gòu)，從而可以提高采煤機的工作可靠性，保證采煤機的高效運行。

1 扭矩軸有限元模型的建立

由于煤層中煤矸石等各種雜質(zhì)的存在，使得采煤機容易受到?jīng)_擊或者過載作用，這時需要扭矩軸自身產(chǎn)生斷裂，實現(xiàn)保護采煤機的作用。扭矩軸采用缺口斷裂效應(yīng)的方式進行設(shè)計，在扭矩軸的頸部位置設(shè)計有卸荷槽[3]，使扭矩軸在卸荷槽處產(chǎn)生應(yīng)力集中，在發(fā)生沖擊或者過載時，扭矩軸的卸荷槽處承載最大，在此處發(fā)生斷裂。對扭矩軸的承載進行分析，首先依據(jù)某型號采煤機對其扭矩軸建立模型，如圖1 所示。

圖1 扭矩軸模型

扭矩軸的材料選用合金結(jié)構(gòu)鋼40CrNiMo，設(shè)定材料的參數(shù)泊松比為0.3，密度為7.8 kg/m3，彈性模量為209 000 MPa，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對扭矩軸模型以自由網(wǎng)格的形式進行網(wǎng)格劃分處理[4]。在劃分網(wǎng)格時，網(wǎng)格的大小對于結(jié)果的分析具有直接的影響，網(wǎng)格太小時，會對計算機的性能要求較高，并且需要消耗較長的計算時間，網(wǎng)格太大時，由于扭矩軸結(jié)構(gòu)較小，較大的網(wǎng)格不能真實地反映扭矩軸的變形及應(yīng)力情況。以自由網(wǎng)格的形式，在花鍵軸及卸荷槽處設(shè)置網(wǎng)格的大小，完成扭矩軸的網(wǎng)格劃分。

網(wǎng)格化完成之后，對扭矩軸的承載進行設(shè)定，限制卸荷槽一端的5 個自由度，僅保留徑向的旋轉(zhuǎn)自由度，在另一端添加相應(yīng)的固定約束，限制所有的自由度。由于電機的傳動作用，在扭矩軸的花鍵連接處其分配是沿著嚙合曲線變化的[5]，變化過程較為復(fù)雜，在分析的過程中，將載荷力沿著花鍵齒進行平均分布，簡化載荷的加載情況，將嚙合力平均施加到花鍵齒上，得到扭矩軸的載荷約束圖如下頁圖2 所示。

2 扭矩軸承載性能的分析

將上述前處理在ANSYS Workbench 中設(shè)置完成后，添加扭矩軸的應(yīng)力作為求解結(jié)果，運行仿真分析，得到扭矩軸的應(yīng)力變化情況如下頁圖3 所示，從圖3 中可以看出，扭矩軸在卸荷槽處的應(yīng)力值最大，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為489 MPa。扭矩軸采用合金結(jié)構(gòu)鋼40CrNiMo，為保證扭矩軸能及時斷裂，起到保護作用，選擇扭矩軸的許用應(yīng)力為最大值508 MPa[6]，由此可知，在所分析的工況中，最大應(yīng)力值不能達到扭矩軸的斷裂強度，扭矩軸無法發(fā)揮過載保護的作用，需對扭矩軸的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

圖2 扭矩軸約束載荷加載圖

圖3 扭矩軸應(yīng)力分布圖

扭矩軸卸荷槽處存在的應(yīng)力集中現(xiàn)象是扭矩軸產(chǎn)生斷裂的主要原因，為了使扭矩軸發(fā)揮作用，對卸荷槽處的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，卸荷槽處的R 值不同，且影響應(yīng)力分布的主要因素，如圖4 所示，對R 值依次選取不同的值，分別進行應(yīng)力分布的仿真分析，得到不同R 值對應(yīng)的最大應(yīng)力值。

將對應(yīng)不同R 值的最大應(yīng)力值進行連接，得到如圖5 所示的應(yīng)力分布曲線。從圖5 中可以看出，隨著R 值的增加，扭矩軸卸荷槽處的最大應(yīng)力值呈現(xiàn)一定指數(shù)分布的增加，在R 值較小時，曲線的斜率較低，說明應(yīng)力值的增加值較小，隨著R 值的增加，曲線的斜率逐漸增加，此時應(yīng)力的增加較大。在卸荷槽R 值為30 mm 時，扭矩軸的最大應(yīng)力基本等于許用應(yīng)力值508 MPa，由此往后，R 值的增加，應(yīng)力值均大于508 MPa，此時，扭矩軸在受到?jīng)_擊或者過載作用時能夠及時斷裂，起到保護采煤機的作用。

3 結(jié)論

圖4 扭矩軸卸荷槽R 值

圖5 最大應(yīng)力值分布曲線

采用ANSYS Workbench 對采煤機卸荷槽處的最大應(yīng)力值進行仿真分析，通過仿真結(jié)果顯示，卸荷槽的結(jié)構(gòu)不能滿足斷裂的需求，因此對扭矩軸進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過改變卸荷槽處的R 值來改變扭矩軸的最大應(yīng)力，通過選取不同的卸荷槽處R 值，得到扭矩軸最大應(yīng)力的分布曲線，從而可以優(yōu)化扭矩軸卸荷槽處的R 值。當選取的R 值大于30 mm 時，最大應(yīng)力值均大于508 MPa，扭矩軸在受到?jīng)_擊或者過載作用時能夠及時斷裂，起到保護采煤機的作用。