采煤機(jī)扭矩軸卸荷槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

高鳳偉

（趙莊煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

引言

我國煤炭資源儲量豐富，但賦存不均，由于煤礦資源是我國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，我國煤炭資源賦存簡單的煤層大部分已經(jīng)得到開采，所以目前我國煤炭資源的開采重點逐步轉(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，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于保證采煤機(jī)工作效率十分重要，此前眾多學(xué)者對采煤機(jī)扭矩軸進(jìn)行過一定的研究[3-4]，本文利用數(shù)值模擬軟件對采煤機(jī)扭矩軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為采煤機(jī)正常工作提供一定的保障。

1 數(shù)值模擬分析

為了對采煤機(jī)扭矩軸卸荷槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，首先對扭矩軸的卸荷槽進(jìn)行靜力學(xué)分析，計算在固定荷載下結(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)定后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，充分考慮分析需求，保證一定的計算時間要求的同時，滿足計算精度的要求，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個單元，完成模型網(wǎng)格劃分后對模型的邊界條件和加載進(jìn)行設(shè)定。通過電機(jī)的計算功率及轉(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)定后對模型進(jìn)行計算分析，本文僅展示U型卸荷槽下扭矩軸的應(yīng)力應(yīng)變云圖（見圖1）。

圖1 U型槽下扭矩軸應(yīng)力應(yīng)變云圖

通過對模型進(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。考慮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。

2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下扭矩軸效果分析

在選定U型槽后，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下扭矩軸的力學(xué)性能進(jìn)行分析。

2.1 對卸荷槽槽深進(jìn)行對比分析

選定槽深h分別為7 mm、8 mm、9 mm和10 mm分別進(jìn)行模擬計算，將不同槽深下扭矩軸的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行對比分析如圖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，同時根據(jù)應(yīng)力云圖可以看出，卸荷槽兩端受力呈現(xiàn)對稱分布的趨勢，對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，扭矩軸的應(yīng)力最大值為401 MPa，當(dāng)槽深增大至8 mm時，此時的應(yīng)力最大值為451，較槽深7 mm時增大了50 MPa，當(dāng)槽深增大至9 mm時，此時的應(yīng)力最大值為482，較槽深7 mm時增大了81 MPa，當(dāng)槽深增大至10 mm時，此時的應(yīng)力最大值為534，較槽深7 mm時增大了133 MPa，此時的應(yīng)力值最大。對比槽深對應(yīng)變的影響可以看出，槽深對應(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，當(dāng)槽深為7 mm時，此時的變形量最大僅為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。通過分析可以看出，最佳的槽深為7 mm。

2.2 對不同卸荷槽槽寬進(jìn)行對比分析

選定槽寬t分別為3 mm、3.5 mm、4 mm和4.5 mm分別進(jìn)行模擬計算，將不同槽寬下扭矩軸的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行對比分析如圖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，應(yīng)力曲線幾乎重合，此時說明槽寬對扭矩軸的應(yīng)力影響在此范圍內(nèi)時較小，甚至可以說無影響；當(dāng)U型前沿角大于5°時，此時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，同時隨著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，此時的應(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，此時的應(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，增長的趨勢類似，同時隨著槽寬的增大，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。

2.3 對不同卸荷槽位置進(jìn)行分析

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，同時對比可以看出，當(dāng)L0為320 mm時，此時的應(yīng)力最大值為460 MPa；當(dāng)L0為300 mm時，此時的應(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，此時的最大變形量為3.26×10-3mm，當(dāng)U型槽前沿角在0°~5°時，此時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。

3 結(jié)論

1）通過對比三種槽型應(yīng)力應(yīng)變云圖可以看出，三種槽型下的最大應(yīng)力值均小于材料的屈服極限，同時U型槽應(yīng)變值最小。

2）對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，此時的扭矩軸效果最佳。