采煤機扭矩軸卸荷槽數值模擬分析

王修永， 沈家宇

（內蒙古昊盛煤業有限公司， 內蒙古 鄂爾多斯 017000）

引言

目前，隨著煤礦開采年限的增加，煤礦開采的深度不斷加大，煤礦機械的工況環境日益惡劣，所以提升煤礦機械的穩定性是未來機械研究的趨勢。采煤機作為我國煤礦開采重要的機械設備，其主要承載著裝煤、落煤的任務[1-2]，而扭矩軸時采煤機截割部重要的保護設備，其在工作過程中，當發現截割過程存在較大的扭矩時，此時扭矩軸發生斷裂，保護采煤機的截割系統。卸荷槽作為扭矩軸最為薄弱的環節，其在運行過程中常常遇到過載不斷或者不合理折斷等情況[3-4]，所以，本文利用數值模擬軟件對扭矩軸受力進行分析，給出卸荷槽的結構優化設計，為礦井采煤機高效、安全運行提供參考。

1 模型建立

為了分析扭矩軸應力分布情況，首先對扭轉軸進行靜力學分析，在固定的載荷作用下，得出構件的應力、應變的云圖，從而分析結構的設計要求，為后續研究提供基礎。首先進行模型的建立，確定本文的分析軟件為ABAQUS 數值模擬軟件，利用模擬軟件的外接模塊進行模型的建立，后導入至模擬軟件中，扭矩軸長度設定為1 275 mm，卸荷槽位于距離一端290 mm，卸荷槽內徑設定為35 mm，扭矩軸的直徑為70 mm。對模型的材料進行設定，選定模型的材料時首先要滿足扭轉軸芯部的硬度，其材料應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，選定材料后對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時充分考慮計算的精度及計算的時間，在保證計算精度的同時盡量降低計算時間，經過對比選定四面體C3D8R 單元進行劃分，劃分后模型共計22 803 個網格。U 型卸荷槽的局部網格劃分圖如1 所示。

圖1 U 型卸荷槽的局部網格劃分圖

對材料的物理屬性進行設定，材料的彈性模量為210 GPa；屈服應力為900 MPa，材料的密度為9.8 g/cm3；材料的泊松比為0.3，完成物理參數設定后對模型的邊界條件及加載條件進行設定，對扭矩軸截割部電機進行固定約束設定，同時在滾筒位置施加固定扭矩，根據安全規范要求，設定扭轉軸的破壞扭矩為電機額定扭矩的2.2 倍，經過計算可以得出設定的扭矩為7 244 N·m，設定材料的抗扭強度最大值為540 MPa，當扭轉軸受到的扭矩大于540 MPa 時，此時扭轉軸會發生保護性斷裂。

2 數值模擬分析

完成后對模型進行靜力學分析。給出三種槽型下的應力云圖如下頁圖2 所示。

從下頁圖2 中可以看出，在相同扭矩加載條件下，不同卸荷槽結構下的應力云圖存在一定的相同點，同時也存在一定的不同，卸荷槽結構為V 型、U型和工型形態時，應力最大值出現的位置均為卸荷槽的軸頸位置，在此位置出現一定的應力集中，且應力集中的現象較為明顯，當卸荷槽尺寸為V 型時，此時在卸荷槽的軸頸位置的應力最大值為507 MPa，此時的應力最大值為三種卸荷槽結構下的最大值，同時當卸荷槽結構為U 型時，此時在卸荷槽的軸頸位置出現的最大值為437 MPa，此時的最大值較卸荷槽尺寸為V 型時減小了70 MPa，降低幅度為13.8%，當卸荷槽結構為工字型時，此時在卸荷槽的軸頸位置出現的最大值為454 MPa，此時的最大值較卸荷槽尺寸為V 型時減小了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，所以在保證穩定的前提下應當選用應力值相對較小的卸荷槽尺寸，所以盡量選用的卸荷槽尺寸為U 型。

圖2 卸荷槽應力（MPa）云圖

對不同卸荷槽深度（h）下卸荷槽應力分布云圖進行分析，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力變化趨勢進行匯總如圖3 所示。

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

圖3 不同卸荷槽深度下應力應變曲線

對不同卸荷槽寬度下的扭矩軸的應力應變進行分析，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）下隨路徑應力應變變化趨勢進行匯總如圖4。

圖4 不同卸荷槽寬度下應力應變曲線

從圖4 可以看出，選定U 型卸荷槽的基礎上，不同卸荷槽寬度下隨路徑應力應變變化曲線呈現出相同的趨勢，且卸荷槽應力應變隨U 型槽前沿角度的增大呈現出逐步增大的趨勢，當卸荷槽寬度為3.0 mm 時，此時的應力最大值為330 MPa，應力值最??；當卸荷槽寬度為3.5 mm 時，此時的應力最大值為465 MPa，此時應力最大，當卸荷槽寬度為4 mm 時，此時的應變最大值為0.002 85；當卸荷槽寬度為4.5 mm 時，此時應變最大值為0.244 6，所以綜上分析可以看出隨著卸荷槽寬度的增加，扭矩軸卸荷槽的應力應變均增大，所以在進行卸荷槽設計時應當充分考慮寬度因素。

3 結論

1）利用數值模擬軟件對不同卸荷槽形式下應力分布進行研究發現，應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）通過分析發現隨著卸荷槽深度的增加，應力最大值呈現逐步增大的趨勢，而不同深度下扭矩軸的應變同樣呈現隨卸荷槽深度增加而增大的趨勢。

3）隨著卸荷槽寬度的增加，扭矩軸卸荷槽的應力應變均增大，所以在進行卸荷槽設計時應當充分考慮寬度因素。