礦井采煤機截割部U型槽扭矩軸結構優化設計研究

王 帥

（晉能控股煤業集團雁崖煤業公司安監站，山西 大同 037000）

引言

我國作為煤炭資源的消耗大國，隨著經濟社會的快速發展，不僅對煤炭資源的需求量在不斷攀升，而且對礦井安全和生產效率均有了更高的要求，但是伴隨著煤炭開采的深度加深，環境更加惡劣，所面臨的安全風險愈發的不可控，因此，需要進一步提升開采機械的本質安全管理水平，從制度管理方面與設備結構穩定方面要進行加強[1]。采煤機扭矩軸作為本質安全機構的關鍵部件，日常生產過程中出現了保護不足或者不保護等安全問題，對礦井的生產效率造成了影響，甚至對一線工人的生命造成了危險。正常的扭矩軸在受到過度載荷力后就會發生扭斷，使得電動機與受傳動部件發生脫離，因此，為了使得扭矩軸能夠更好地服務于機械設備的本質安全管理，對扭矩軸結構進行優化設計。以U型槽扭矩軸為研究對象，通過對該型扭矩軸結構優化，為礦井機械設備關鍵零部件的設計優化提供了依據。

1 U型槽扭矩軸失效形式分析

1.1 技術分析參數概要

MG100/1110-GWD型采煤機是多個電機同時驅動的采煤機械，通過礦井電網直接輸送電能，能夠實現交流變頻調速。該型號采煤機的總功率為2 210 kW，工作面的額定高度為2 710 mm，比較適用于中厚煤層的開采作業，采高高度約為4.50 m，但適用的煤層傾角范圍不大，一般低于15°[2]。該型采煤機在作業時要求工作面頂板穩定，不能過于松軟。分段區的工作面長度不得大于200 m[3]。

該型采煤機的電機型號為YACS2-110，截割電機的輸出軸與扭矩軸進行裝配時，通常會在扭矩軸上開槽卸荷，通過U型槽產生缺口效應，當載荷力較大時，就會在開槽處的薄弱環節發生斷裂，從而對電機進行保護。

1.2 扭矩軸失效形式

U型槽扭矩軸在受到外力載荷因素影響后，失效形式主要分為兩類，一類為完全喪失使用功能；另一類為部分結構受損導致功能不齊全或者性能下降，存在安全隱患。扭矩軸的失效現象主要為斷裂、腐蝕、磨損以及變形失效[4]。當截割電機兩端傳輸的扭矩數值差較大時，就會在U型槽部位處發生應力破壞的斷裂，形式分為韌性失效、脆性失效和疲勞斷裂失效，扭矩軸將受到切應力的作用，最大應力方向與軸線成45°，在扭矩軸表面向軸心內發生剪切破壞，如圖1所示。

圖1 扭矩軸扭轉過載斷口示意圖

同時扭矩軸受到交變載荷過程中沒有發生斷裂，但隨著長時間周期反復循環載荷作用，結構從最初的彈性變形到塑性變形，最后發生結構的破壞[5]。受到扭矩作用的結構不與料本身相關，還與截面的抗截面系數有關。根據工程上扭矩軸斷口形式，可對U型槽型的尺寸進行優化，改變斷口處的內外徑尺寸分配比，有效地化解扭轉應力所帶來的破壞作用，能夠確保電機扭矩傳輸的動力，并且在過載時發生槽型結構斷裂以保護各零部件。

2 U型槽扭矩軸有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

利用SolidWorks三維圖形軟件對U型槽扭矩軸的模型進行建立，模型將根據實際結構1∶1的比例建成。為了提升有限元計算效率，將結構不重要的零碎結構進行去除，并且將部分結構弧度較大的倒角轉化為直角結構。由于U型槽扭矩軸為單一結構部件，U型槽扭矩軸三維模型應為一體化整體結構，采用獨立的模型坐標系，如圖2所示。

圖2 U型槽扭矩軸三維模型圖

2.2 有限元模型建立及參數設置

采用ABAQUS軟件作為U型槽扭矩軸受力計算的仿真軟件。該軟件能夠與SolidWorks建模軟件實現數據通信，并且針對于復雜非線性的應力狀態計算有較強的性能。將圖2中的三維模型導入至ABAQUS軟件進行網格劃分并設置計算參數與邊界條件。根據扭矩軸受力狀態，將網格設置為自由度為3的4面體5節點網格單元，扭矩軸仿真模型網格數目為121 478，節點數為371 651，如圖3所示。

圖3 U型槽扭矩軸仿真計算模型圖

扭矩軸具有傳動和過載保護的雙向功能，其材料的選擇非常重要。為滿足實際生產需要，合理地選擇扭矩軸材料，選取U型槽扭矩軸的制作材料為40Cr，該材料的抗疲勞，抗沖擊性能較強，同時具有一定的硬度，其彈性模量為211 GPa，泊松比為0.3，質量密度7 800 kg/m3，抗剪模量83 GPa，屈服強度785 MPa。根據MG100/1110-GWD型采煤機輸出動力參數，該型號采煤機截割部的三相異步電動機的扭矩軸在發生嚴重過載時，即轉矩過載倍數達到一定倍數時，扭矩軸需在3~5 s內斷開，以保護電動機[6]。根據扭矩公式計算出U型槽扭矩軸將承受14 146.56 N·m的扭矩。

由于U型槽扭矩軸是安裝與零部件與電動機兩端的軸承內，因此在扭矩軸套筒部位應保持固定不動，在x、y、z軸三個方向施加自由度約束。按照計算結果，對扭矩軸施加14 146.56 N·m的扭矩作用，使得U型槽扭矩軸能夠符合實際的工況受力條件。U型槽扭矩軸的開槽部位應力分布狀況如圖4所示。

圖4 U型槽應力（MPa）分布圖

現有結構U型槽的最小直徑為55 mm，最大應力為83.27 MPa，在U型槽的凹口處出現了明顯的應力集中現象，容易在沒有達到保護載荷數值之前就發生槽口斷裂，嚴重削弱了扭矩軸的保護性能，容易發生不平整的截面斷裂。因此應該對U型槽的結構進行設計優化。

3 U型槽結構優化結果分析

采用ABAQUS軟件優化模塊，U型槽結構處的應力作為優化目標值，設定U型槽材料與尺寸作為參數變量，導入至軟件模塊進行優化求解。對比分析優化結構后的U型槽相比于原始結構在應力方面的提升效果，如圖5所示。

圖5 優化后U型槽應力（MPa）分布圖

圖5是經過改良之后的扭矩軸仿真分析應力云圖，其橫截面最小直徑為由55 mm增加至57 mm，應力集中截面最大應力為95.51 MPa，其應力集中現象有所減弱，在能夠保護截割部的前提下，能夠承受最大載荷多產生的應力，且斷裂后形成的斷裂面效果更好。因此，U型槽部位直徑從55 mm增加到57 mm，其橫向尺寸增加時，其應力集中減弱，更加貼近電機的安全倍數，可以滿足要求，且應力集中截面整齊即可實現整齊的斷裂口，保證最大效率的傳動。

4 結語

為了保證煤炭開采過程中的安全性，各類開采機械設備的安全可靠性尤為重要。其中采煤機作為礦井機械的關鍵設備，受到了來自地質、煤層結構、外部環境因素的不利影響。采煤機的各個零部件受到了極大的工作考驗，尤其是作為采煤機過載時保護零部件的扭矩軸結構時常發生工作故障。為了提高扭矩軸結構本質安全性，以U型槽扭矩軸為研究對象，針對U型槽的槽口部位尺寸進行了優化設計。根據仿真軟件的優化結果，槽口部位的最小直徑55 mm增加至57 mm。U型槽的槽口截面所能承受的最大應力增大，并且避免了應力集中部位的產生，極大地提高了扭矩軸作為過載保護零部件的工作性能。