采煤机摇臂扭矩轴安全槽的设计

□ 谭永跃

杭州力龙液压有限公司 质保部 杭州 311228

采煤机截割部电动机摇臂扭矩轴是一根细长的传动轴，它的两头一般设计为空心渐开线花键，为防止采煤机的电动机过载，要求摇臂扭矩轴在超过额定的载荷时断裂，故在靠近电动机端开有安全槽，可以产生应力集中，当采煤机截煤发生过载时，发生保护性断裂来保护电动机和截割部传动系统，因此，摇臂扭矩轴的可靠性直接影响着采煤机的工作效率［2］。由于截割条件恶劣,导致采煤机的滚筒在实际工作中所承受的外载荷是随机变化的［1］。如何保证采煤机摇臂在复杂的工作环境下能够长期使用，这是采煤机正常工作的关键。现在比较多见的是对摇臂壳体、传动零部件及液压系统进行优化，由于摇臂扭矩轴随同电动机销售，作为摇臂工作的源动力输出件——摇臂扭矩轴的作用反而被忽略。通常，对于摇臂扭矩轴的分析也只是对安全槽进行简单的结构变化设计以获取所能承受的最大应力作为安全槽的结构。笔者结合扭转静强度安全系数的应用，进而对安全槽进行全方位的结构设计，确保了安全槽在实际生产中的作用。

1 问题的提出

采煤机的截割动力是由电动机通过摇臂扭矩轴传递给第一级轴齿轮，再由其它直齿轮和行星齿轮等传递给截割滚筒。其中，电动机的摇臂扭矩轴不仅起到传递动力的作用，而且还承担过载保护的作用［3］。在实际生产中，为确保电动机的安全使用，摇臂扭矩轴需要在超过额定的载荷时发生断裂，而在正常载荷下能传递动力，这就需要考虑扭转静强度安全系数在设计中的应用。在以往的研究中，只是简单地改变安全槽的形状，并没有结合扭转静强度安全系数进行分析，这样就疏漏了很多使用情况且无法保证摇臂扭矩轴在超过额定的载荷时发生断裂，笔者结合扭转静强度安全系数进行对比计算，以保证达到设计目的。

2 安全槽形状设计及参数确定

采煤机摇臂扭矩轴的基本结构是一根空心的外花键轴,在轴的一侧有U型或V型结构的安全槽,以产生缺口效应［5］,如图 1 所示。

▲图1 摇臂扭矩轴基本结构图

摇臂扭矩轴在正常工作时轴向受力图如图2所示，由图2可知，摇臂扭矩轴的失效形式主要是安全槽的断裂，在实际生产中，既需要充分发挥其传递动力，又需要保证其起到过载保护的功用，安全槽的设计成为了摇臂扭矩轴能否应用到实际生产中的关键问题。

▲图2 摇臂扭矩轴轴向受力分布图

2.1 材料的选择

为合理选择摇臂扭矩轴材料，应综合考虑各种因素：为满足抗疲劳、抗冲击性能，要求有一定的芯部硬度；摇臂扭矩轴与第一级轴齿轮通过花键连接，花键表面要和齿轮啮合良好，故应保证摇臂扭矩轴材料在强度上与齿轮材料基本一致；生产厂家对材料热处理工艺的稳定程度以及技术成熟情况应能满足一定的性能要求［4］。

20CrNiMo是优质调质钢，调质后有良好的综合力学性能，低温冲击韧性很高，淬火低温回火或高温回火后都有较高的抗疲劳强度和低的缺口敏感度，中等的淬透性，适用于大截面、承受冲击载荷的高强度零件。因此，本次试验选择 20CrNiMo，σS=785 MPa［5］。

2.2 安全槽形状的设计

工程机械中使用的安全槽的形状有U槽、V槽、矩形槽及梯形槽等形式，本文所设计的安全槽结构形式如图3所示。对矩形槽、U形槽、梯形槽1、梯形槽2、梯形槽3及V形槽在保证一定深度、载荷与约束不变的情况下进行受力分析，得到不同形状安全槽的加载扭矩，然后再对比图1的摇臂扭矩轴扭矩，得到安全槽的最优形式。

▲图3 不同的安全槽

2.3 扭转静强度安全系数的确定

扭转静强度安全系数［n］=3～2.2［7］，由于摇臂扭矩轴主要承受扭转切应力。考虑到电机启动、过载强度要求及系统的弹性缓冲要求，取n=2.5。

3 结果分析

切应力［τ］=（0.55～0.62）σS［5］，代入得［τ］≈432～487 MPa；为保证摇臂扭矩能发挥过载保护作用，取［τ］=487 MPa，在此情况下，利用ANSYS和UG两种分析软件求解得到各种形状的安全槽所需要加载的扭矩，见表1。

表1 最大切应力对应加载扭矩/（N·m）

此电机正常施加扭矩为4 839.5 N·m，根据扭转静强度安全系数得到安全槽在达到此系数时断裂所需要的扭矩为12 100 N·m，对比表1得到最佳安全槽形式为U槽。

4 结束语

对某煤机公司使用的摇臂扭矩轴进行了不同形状安全槽的加载测试，结果表明，原设计的摇臂扭矩轴当发生过载时并不能及时断裂,未能起到保护作用。为了确定合适的摇臂扭矩轴安全槽形状,对安全槽形状进行了重新设计，并对原安全槽槽形进行加深，分别对其进行静力学分析，得到当U槽深度加深1 mm时能很好地满足要求，在采煤机发生过载时,摇臂扭矩轴能及时断裂,起到了过载保护的作用,具有较好的可靠性。

［1］ 吴卫东,安兴伟.基于ANSYS的采煤机摇臂的有限元分析［J］.煤矿机械 ,2009,30（5）:77-78.

［2］ 王正廷,杨兆建,王义亮.基于理论应力集中系数的采煤机转矩轴设计与分析［J］.矿山机械,2013（5）:24-28.

［3］ 王振乾,杨丽伟,陶震.采煤机摇臂扭矩轴的有限元分析［J］.煤矿机电 ,2006（5）:92-93.

［4］ 赵丽娟,周宇.采煤机扭矩轴设计［J］.现代制造工程,2009（5）:111-114.

［5］ 成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［6］ 赵晓斌.弹性扭矩轴的设计［J］.煤炭技术,2004,23（7）:23-24.

［7］ 刘春生,靳立红,闫晓林.采煤机弹性扭矩轴功能设计［J］.矿山机械,2009（9）:1-2.