采煤機(jī)扭矩軸卸荷槽數(shù)值模擬分析

王修永， 沈家宇

（內(nèi)蒙古昊盛煤業(yè)有限公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

引言

目前，隨著煤礦開(kāi)采年限的增加，煤礦開(kāi)采的深度不斷加大，煤礦機(jī)械的工況環(huán)境日益惡劣，所以提升煤礦機(jī)械的穩(wěn)定性是未來(lái)機(jī)械研究的趨勢(shì)。采煤機(jī)作為我國(guó)煤礦開(kāi)采重要的機(jī)械設(shè)備，其主要承載著裝煤、落煤的任務(wù)[1-2]，而扭矩軸時(shí)采煤機(jī)截割部重要的保護(hù)設(shè)備，其在工作過(guò)程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)截割過(guò)程存在較大的扭矩時(shí)，此時(shí)扭矩軸發(fā)生斷裂，保護(hù)采煤機(jī)的截割系統(tǒng)。卸荷槽作為扭矩軸最為薄弱的環(huán)節(jié)，其在運(yùn)行過(guò)程中常常遇到過(guò)載不斷或者不合理折斷等情況[3-4]，所以，本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)扭矩軸受力進(jìn)行分析，給出卸荷槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為礦井采煤機(jī)高效、安全運(yùn)行提供參考。

1 模型建立

為了分析扭矩軸應(yīng)力分布情況，首先對(duì)扭轉(zhuǎn)軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，在固定的載荷作用下，得出構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變的云圖，從而分析結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)。首先進(jìn)行模型的建立，確定本文的分析軟件為ABAQUS 數(shù)值模擬軟件，利用模擬軟件的外接模塊進(jìn)行模型的建立，后導(dǎo)入至模擬軟件中，扭矩軸長(zhǎng)度設(shè)定為1 275 mm，卸荷槽位于距離一端290 mm，卸荷槽內(nèi)徑設(shè)定為35 mm，扭矩軸的直徑為70 mm。對(duì)模型的材料進(jìn)行設(shè)定，選定模型的材料時(shí)首先要滿(mǎn)足扭轉(zhuǎn)軸芯部的硬度，其材料應(yīng)該擁有足夠的剛度及抗疲勞性能，所以在充分考慮好選定材料為42CrMo，選定材料后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)充分考慮計(jì)算的精度及計(jì)算的時(shí)間，在保證計(jì)算精度的同時(shí)盡量降低計(jì)算時(shí)間，經(jīng)過(guò)對(duì)比選定四面體C3D8R 單元進(jìn)行劃分，劃分后模型共計(jì)22 803 個(gè)網(wǎng)格。U 型卸荷槽的局部網(wǎng)格劃分圖如1 所示。

圖1 U 型卸荷槽的局部網(wǎng)格劃分圖

對(duì)材料的物理屬性進(jìn)行設(shè)定，材料的彈性模量為210 GPa；屈服應(yīng)力為900 MPa，材料的密度為9.8 g/cm3；材料的泊松比為0.3，完成物理參數(shù)設(shè)定后對(duì)模型的邊界條件及加載條件進(jìn)行設(shè)定，對(duì)扭矩軸截割部電機(jī)進(jìn)行固定約束設(shè)定，同時(shí)在滾筒位置施加固定扭矩，根據(jù)安全規(guī)范要求，設(shè)定扭轉(zhuǎn)軸的破壞扭矩為電機(jī)額定扭矩的2.2 倍，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出設(shè)定的扭矩為7 244 N·m，設(shè)定材料的抗扭強(qiáng)度最大值為540 MPa，當(dāng)扭轉(zhuǎn)軸受到的扭矩大于540 MPa 時(shí)，此時(shí)扭轉(zhuǎn)軸會(huì)發(fā)生保護(hù)性斷裂。

2 數(shù)值模擬分析

完成后對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析。給出三種槽型下的應(yīng)力云圖如下頁(yè)圖2 所示。

從下頁(yè)圖2 中可以看出，在相同扭矩加載條件下，不同卸荷槽結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力云圖存在一定的相同點(diǎn)，同時(shí)也存在一定的不同，卸荷槽結(jié)構(gòu)為V 型、U型和工型形態(tài)時(shí)，應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置均為卸荷槽的軸頸位置，在此位置出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中的現(xiàn)象較為明顯，當(dāng)卸荷槽尺寸為V 型時(shí)，此時(shí)在卸荷槽的軸頸位置的應(yīng)力最大值為507 MPa，此時(shí)的應(yīng)力最大值為三種卸荷槽結(jié)構(gòu)下的最大值，同時(shí)當(dāng)卸荷槽結(jié)構(gòu)為U 型時(shí)，此時(shí)在卸荷槽的軸頸位置出現(xiàn)的最大值為437 MPa，此時(shí)的最大值較卸荷槽尺寸為V 型時(shí)減小了70 MPa，降低幅度為13.8%，當(dāng)卸荷槽結(jié)構(gòu)為工字型時(shí)，此時(shí)在卸荷槽的軸頸位置出現(xiàn)的最大值為454 MPa，此時(shí)的最大值較卸荷槽尺寸為V 型時(shí)減小了53 MPa，降低幅度為10.4%，從以上分析可以看出，三種槽型應(yīng)力最大值按照從大至小依次V 型卸荷槽、工字型卸荷槽、U 型卸荷槽，所以在保證穩(wěn)定的前提下應(yīng)當(dāng)選用應(yīng)力值相對(duì)較小的卸荷槽尺寸，所以盡量選用的卸荷槽尺寸為U 型。

圖2 卸荷槽應(yīng)力（MPa）云圖

對(duì)不同卸荷槽深度（h）下卸荷槽應(yīng)力分布云圖進(jìn)行分析，選定卸荷槽深度分別為7 mm、8 mm、9 mm 和10 mm，將四種卸荷槽深度下隨路徑應(yīng)力變化趨勢(shì)進(jìn)行匯總?cè)鐖D3 所示。

從圖3 可以看出，在選定U 型卸荷槽的基礎(chǔ)上，不同卸荷槽隨路徑應(yīng)力應(yīng)變變化曲線(xiàn)大致呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，隨著路徑距離的不斷增大，卸荷槽應(yīng)力呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，當(dāng)卸荷槽深度為7 mm 時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力最大值為401 MPa；當(dāng)卸荷槽深度為8 mm 時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力最大值為451 MPa，較卸荷槽深度7 mm 時(shí)增加了50 MPa，增大幅度為12.5%；當(dāng)卸荷槽深度為9 mm 時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力最大值為482 MPa，較卸荷槽深度7 mm 時(shí)增大了81 MPa，增大的幅度為20.2%；當(dāng)卸荷槽深度增大至10 mm 時(shí)，此時(shí)應(yīng)力最大值為534 MPa，應(yīng)力最大值較卸荷槽深度7 mm 時(shí)增大了133 MPa，增大的幅度為33.2%，可以看出隨著卸荷槽深度的增加，應(yīng)力最大值呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，而對(duì)比不同深度下扭矩軸的應(yīng)變同樣呈現(xiàn)隨卸荷槽深度增加而增大的趨勢(shì)。

圖3 不同卸荷槽深度下應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

對(duì)不同卸荷槽寬度下的扭矩軸的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，選定卸荷槽寬度分別為3.0 mm、3.5 mm、4.0 mm 和4.5 mm，將四種卸荷槽寬度（b）下隨路徑應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢(shì)進(jìn)行匯總?cè)鐖D4。

圖4 不同卸荷槽寬度下應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

從圖4 可以看出，選定U 型卸荷槽的基礎(chǔ)上，不同卸荷槽寬度下隨路徑應(yīng)力應(yīng)變變化曲線(xiàn)呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，且卸荷槽應(yīng)力應(yīng)變隨U 型槽前沿角度的增大呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢(shì)，當(dāng)卸荷槽寬度為3.0 mm 時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力最大值為330 MPa，應(yīng)力值最?。划?dāng)卸荷槽寬度為3.5 mm 時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力最大值為465 MPa，此時(shí)應(yīng)力最大，當(dāng)卸荷槽寬度為4 mm 時(shí)，此時(shí)的應(yīng)變最大值為0.002 85；當(dāng)卸荷槽寬度為4.5 mm 時(shí)，此時(shí)應(yīng)變最大值為0.244 6，所以綜上分析可以看出隨著卸荷槽寬度的增加，扭矩軸卸荷槽的應(yīng)力應(yīng)變均增大，所以在進(jìn)行卸荷槽設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮寬度因素。

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同卸荷槽形式下應(yīng)力分布進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力最大值按照從大至小依次為V 型卸荷槽、工字型卸荷槽、U 型卸荷槽。

2）通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)隨著卸荷槽深度的增加，應(yīng)力最大值呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，而不同深度下扭矩軸的應(yīng)變同樣呈現(xiàn)隨卸荷槽深度增加而增大的趨勢(shì)。

3）隨著卸荷槽寬度的增加，扭矩軸卸荷槽的應(yīng)力應(yīng)變均增大，所以在進(jìn)行卸荷槽設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮寬度因素。