采煤機截割部扭轉軸優化設計研究

史巖鵬

（山西焦煤集團有限責任公司官地煤礦， 山西 太原 030000）

引言

我國煤礦資源儲量豐富但賦存條件較為復雜，在開采復雜煤層時，常常由于工作面的地質較為復雜造成采煤機工作時受到不同強度載荷的沖擊發生故障，同時在采煤機進行工作時由于夾矸造成采煤機截割部電機發生故障，造成煤礦產煤率降低，所以采用扭矩軸來保護截割部電機及采煤機的傳動系統。但在采煤機的實際操作過程中，由于截割部受到的載荷過大等因素造成扭矩軸未發生斷裂，不能有效地保障采煤機的安全運行，為解決此問題，許多學者對其進行研究。閆云飛[1]以王村煤業采煤機為研究對象，研究截割電機在超載情況下扭轉軸未發生斷裂的問題，提出一種扭矩軸的設計方案，通過對卸荷槽及材料的優化，有效地解決了超載未斷裂的問題。韓飛[2]為了保障采煤機截割部的安全運行，在原有對采煤機過載保護的基礎上，利用限距器對采煤機的截割部扭轉軸進行設計，通過現場實測驗證了設計的可行性。趙麗娟[3]通過建立剛柔虛擬樣機模型對采煤機扭轉軸的斷裂特性進行模擬分析，并利用斷裂力學理論對采煤機扭轉軸的受力進行研究，為后續的對采煤機扭轉軸的優化提供一定的借鑒。譚永躍[4]為了提升采煤機搖臂扭矩軸的安全槽過載保護性能，利用ANSYS數值模擬軟件對扭轉軸進行靜力學分析，結合扭轉靜強度的安全系數，得到了安全槽的優化結構，有效地提升了采煤機搖臂的安全性。本文通過數值模擬軟件對采煤機扭轉軸的三種槽型進行靜力學分析，通過對比分析給出了扭矩軸卸荷槽最優尺寸及槽型。

1 三種槽型應力對比分析

采煤機截割部的扭轉軸其實際是一根傳動軸，在扭轉軸的端頭位置設置為空心圓軸直齒漸開線花鍵形狀，用于動力的傳遞。在采煤機工作過程中，當截割電機所受的載荷強度大于額定負載時，此時的采煤機搖臂部位的扭轉軸發生斷裂，及時保證電機的安全。所以在進行扭轉軸的設計時需要在接觸電機的位置進行卸荷槽的設計，用于實現過載斷裂，保證采煤機截割系統的安全。

為了對扭轉軸進行優化設計，本文利用abaqus數值模擬軟件對不同槽型（U型、V型、I型）的扭轉軸進行模擬。首先進行模型的建模。模型的建模利用Solidworks進行模型的建立，分別對U型、V型、I型三種槽型的扭轉軸進行建模。模型尺寸建立后對模型進行網格劃分，本文網格劃分選用四邊形劃分法，完成網格劃分后對模型進行材料屬性設置，根據扭轉軸的實際力學參數對模型進行設置，對模型的邊界條件及載荷進行設置，提交作業進行模擬計算。

首先對U型槽型最小截面尺寸（直徑）分別為55 mm和57 mm的模型進行對比分析，計算結果圖如1所示。

圖1 U型槽不同橫截面最小尺寸（直徑）應力（MPa）對比圖

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

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

圖2 V型槽不同橫截面最小尺寸（直徑）應力（MPa）對比圖

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

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

對比三種槽型扭轉軸的應力云圖可以看出，當卸荷槽為U行時，此時卸荷槽的應力效果減弱，保護截割部的效果較好，且斷裂形成后，卸荷槽形成的斷面效果最為理想。當卸荷槽選擇為V型時，此時的卸荷槽應力集中減弱，扭矩軸的傳動效果較差，導致的傳動效果不佳。當卸荷槽選擇為I型時，此時卸荷槽的應力集中效果處于U型槽之后，形成的斷面形狀不明顯，影響截割機構對扭轉軸的保護。

圖3 I型槽不同橫截面最小尺寸（直徑）應力（MPa）對比圖

2 應變對比及優化

同樣對不同槽型下不同橫截面積扭轉軸的應變進行對比，發現在橫截面尺寸（直徑）55 mm下的應變量分別為 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，此時的卸荷槽的應變量分別為3.28E-09、1.9E-05、3.165E-05。可以看出經過優化后U型槽的抗變形能力明顯加強，在相同載荷下，其保護作用最為明顯，對采煤機截割部的沖擊保護最為明顯。

綜上所述，經過對三種槽型不同尺寸卸荷槽應力應變的對比分析發現，將卸荷槽的直徑從55 mm提升至57 mm后，應力集中現象減弱，較為符合電機的安全倍數，且斷裂時截面整齊，保證了傳動的效率。

3 結語

通過對采煤機扭轉軸在三種槽型（U型、I型及V型）進行靜力學分析，給出了三種槽型下應力應變云圖，經過對應力云圖進行分析，給出了各種槽型在不同卸荷槽尺寸下的優缺點，綜合對比后發現U型卸荷槽最為合理，在發生過載情況時會及時發生斷裂，發生斷裂的位置較為集中且斷裂面較為平整，對壁55 mm和57 mm的應力分布發現，直徑為57 mm時，此時扭轉軸的效果最佳。