基于正交試驗的采煤機扭矩軸結構參數優化研究

樊鵬飛

（西山煤電 馬蘭礦，山西 古交 030205）

1 概況

采煤機是煤礦開采中比較重要的裝備，能否穩定可靠運行對煤礦開采效率有直接的影響。由于煤礦開采環境非常復雜，采煤機工作時不可避免地會遇到特別堅硬的巖石，導致截割頭被卡死。此時若截割電機繼續輸出動力，則很可能導致電機發生燒毀。為了避免上述問題的出現，設計人員在傳動系統中設置了1 根帶有卸載槽的扭矩軸，作用主要表現在兩個方面，其一為傳遞電機輸出的動力，其二為一旦截割頭被卡死，電機持續輸出動力時，扭矩軸因為承受較大的載荷會在卸載槽部位發生扭斷，達到保護電機的目的。在工程實踐應用中，如果扭矩軸卸載槽的結構設計不合理，會導致該斷時不斷、不該斷時斷裂的問題，影響采煤機運行的可靠性。針對這一問題問題，以馬蘭礦MG500/1140-G WD 型采煤機為例，基于正交試驗思想，對扭矩軸卸載槽結構參數進行優化研究，對于提升采煤機的運行穩定性具有重要實踐意義。

2 扭矩軸結構形式及其作用

2.1 常見結構形式

采煤機截割部傳動系統中使用的扭矩軸，在端部位置設置有卸載槽。不同型號采煤機中使用的扭矩軸卸載槽結構形式存在一定的差異，常見的結構形式包括U 型結構、V 型結構和矩形結構，其中U型結構由于加工比較方便，在實際應用中效果較好，因此使用范圍最為廣泛。馬蘭礦MG500/1140-GWD 型采煤機扭矩軸的卸載槽即為U 型結構，如圖1 所示。

圖1 扭矩軸的結構示意Fig.1 Structure diagram of torque shaft

由圖1 可知，扭矩軸的中間部分為實心結構，兩端部位設置有鉆孔，與電機、截割頭進行連接實現動力的傳輸。電機正常工作時的額定功率500 kW，額定轉速1450 r/min。扭矩軸的整體長度L為1275 mm，直徑D 為70 mm，內徑d 為35 mm，卸載槽與軸向端部間的距離L0為290 mm。

2.2 扭矩軸的作用

扭矩軸的重要作用是對電機進行保護，因為扭矩軸中設置有特殊的卸載槽結構，當扭矩軸承受扭矩載荷時會在卸載槽部位出現明顯的應力集中現象，通常卸載槽部位的應力值比其他部位的應力值要大很多。如果扭矩軸承受的扭矩載荷超過了設定的數值，由于卸載槽部位存在應力集中現象，會使該部位的應力值超過材料的屈服強度，進而發生塑性變形，最終在該部位發生斷裂。卸載槽的結構參數會對扭矩軸的使用性能產生決定性的影響。

3 基于正交試驗的優化方案設計

3.1 正交試驗概述

正交試驗方法是解決優化問題的重要和有效方法，利用該思想可以對優化方案進行科學合理的安排設計，低成本、快速獲得最優結果，規避試錯法中的重復性試驗和嘗試性試驗，提升效率。

3.2 優化方案

馬蘭礦MG500/1140-GWD 型采煤機扭矩軸卸載槽為U 型結構，已有的理論和實踐經驗表明，U型卸載槽結構的深度h、寬度r 及其與端部位置之間的距離L0，對卸載槽的應力集中現象的影響最為顯著，因此以這3 個結構參數為優化對象。針對每個對象分別設置5 個水平的參數，深度h 的取值分別為6、7、8、9、10 mm，寬度r 的取值分別為3、3.5、4、4.5、5 mm，距離L0的取值分別為290、300、310、320、330 mm。根據參數的取值范圍，結合正交試驗的思想，對優化方案進行了設計，共設置了25 組優化試驗組合，具體見表1。由于扭矩軸工作性質比較特殊，要求卸載槽部位的應力集中值剛好超過材料的許用強度為宜。如果應力集中值過小，則特殊情況下難以扭斷對電機進行保護，相反如果應力集中值過大，則正常工作時可能會出現扭斷的問題，影響設備正常運行。

表1 基于正交試驗思想的優化試驗方案Table 1 Optimal test scheme based on orthogonal test idea

4 扭矩軸結構參數優化結果

4.1 有限元模型的建立

利用UG 軟件根據扭矩軸的實際結構尺寸建立三維幾何模型。研究需要對25 組優化方案進行研究，根據不同的優化方案建立對應的三維幾何模型。將建立好的模型導入到Abaqus 軟件中進行有限元模型的建立工作。在軟件中選擇四面體網格類型，網格尺寸由軟件根據整體情況自動化設置，最終劃分得到的網格單元數量和節點數量分別為9324 個和10397 個。MG500/1140-GWD 型采煤機扭矩軸的生產加工材料為42CrMo，密度9800 kg/m3，屈服強度900 MPa，楊氏模量210 GPa，泊松比0.3。

根據工程經驗，電機能承受的最大扭矩為額定功率值的2.2 倍，按照公式：

式中：T 為扭矩；P 為電機的額定功率、N 為電機的額定轉速。計算得到扭矩值為7244 N·m。將該結果作為扭矩軸的邊界條件設置在端部位置。

4.2 優化結果分析

扭矩軸正常工作時主要承受扭轉應力，材料能夠承受的扭轉切應力與其屈服強度之間存在對應關系，具體為：

式中：[τ]為材料的許用切應力；σb為材料的屈服強度。計算得到扭轉軸的許用切應力在450～540 MPa，此次研究取540 MPa。

不同優化方案對應的扭矩軸卸載槽最大應力值及其與許用切應力之間比較情況如圖2 所示。

圖2 不同優化方案對應的卸載槽最大應力值及其與許用切應力之間比較Fig.2 Maximum stress of unloading groove corresponding to different optimization schemes and comparison with allowable shear stress

由圖2 可知，不同的卸載槽結構參數會對該部位的應力集中現象產生直接影響。第16、21、22、23、24、25 組方案中卸載槽的最大應力值超過了材料的許用切應力值，其余組別的優化方案卸載槽最大應力值均沒有超過許用應力值。意味著扭矩軸不容易在卸載槽位置發生扭斷現象，會增加電機運行時的風險。進一步對比發現，第16 組方案超過的幅度最小，所以認為該組方案對應的結構參數最優。查表1 可知對應的卸載槽深度、寬度及其與端部之間的距離分別為9、3 和320 mm。

第16 組方案扭矩軸卸載槽部位的應力分布情況如圖3 所示。

圖3 第16 組方案扭矩軸卸載槽部位的應力分布情況Fig.3 Stress distribution of unloading groove of torque shaft in group 16

從圖3 中可以看出，扭矩軸不同位置的應力分布情況呈現出非常明顯的不均勻性，特別是卸載槽部位出現了顯著的應力集中現象，與其他部位相比較，應力值要大出很多。扭轉軸其他部位的應力值大約為300 MPa，卸載槽部位的應力值在500 MPa以上，最大應力值達到了541.98 MPa。最大切應力值正好超過了材料的使用切應力值540 MPa，且超過幅度最小。

5 結 論

以馬蘭礦MG500/1140-GWD 型采煤機中的扭矩軸結構為研究對象，基于正交試驗方法，利用Abaqus 軟件對扭矩軸卸載槽的結構參數進行了優化設計，所得結論主要有以下3 點。

（1） 采煤機截割部扭轉軸不僅可以傳遞扭矩，特殊情況下還能在卸載槽部位發生扭斷，對截割電機進行保護。

（2） 以卸載槽的深度、寬度及其與端部間距離為優化對象，以最大應力值為優化目標，基于正交試驗思想設計了25 組優化方案。

（3） 利用Abaqus 軟件對25 組優化方案分別建立模型并模擬分析，當卸載槽寬度、深度及其與端部間距離分別為9、3 和320 mm 時，卸載槽的最大應力值為541.98 MPa，剛好超過材料使用切應力值540 MPa，該結果最優。