矿用绞车电机转轴疲劳分析及优化

王 飞

(霍州煤电集团云厦建筑工程有限公司 白龙矿建分公司，山西 霍州 031412)

矿用绞车是运输煤炭、设备以及人员的主要动力装置[1]。由于其结构简单，研发成本较低，所以在各煤矿中得到广泛应用。

由于煤矿工作环境恶劣、负荷大、工作强度高，因此绞车通常都是高负荷、长时间运转，经常会出现速度过快或者过慢的情况，从而导致电机转轴出现疲劳断裂，严重影响煤矿正常生产，甚至会威胁到工作人员的人身安全。因此，对电机转轴进行应力分析及疲劳寿命分析，并由此提出优化改进建议，对提高电机转轴的可靠性、保障绞车的正常运行和使用安全具有重要意义。

1 模型建立

绞车电机转轴作为关键零部件，目前大多数为阶梯状设计，一般分为轴承伸出端、前主轴承挡、限位凸台、转子挡、后主轴承挡[2]。根据电机转轴实际尺寸参数在三维画图软件CREO中建立模型，同时对模型的倒角、圆角等细小特征进行模型简化设计，保留了关键结构，由此，建立了矿用绞车电动机转轴的三维模型，如图1所示。

图1 转轴模型

绞车在运行过程中通常所承受的载重在3～4 t之间[3]，但是在设计过程中通常会按照2～2.5倍的安全系数来设计。因此，本文在考虑设计安全系数最大的情况下，按照2.5倍安全系数来模拟，最大载重取10 t。

2 静力分析

2.1 静力学分析

将建立的绞车电机转轴模型导入到有限元分析软件Ansys Workbench中，转轴材料为Q345钢，材料密度为7.8 t/m3，弹性模量为2.10 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为345 MPa[4]。

为了提高模型的仿真精度，模型在网格划分时，将模型的边缘过渡和曲率中心进行网格加密设置[5]。将10 t的载荷转化为扭矩加载到转轴上，开展转轴的静力学仿真分析。仿真结果如图2。

图2 绞车电机转轴静力学分析

由图2可以看出，应力最大的位置在轴承伸出段的过渡角位置，最大应力为325 MPa，已非常接近材料的屈服强度，这与煤矿现场发生的故障位置一致，该处是现场使用的矿用绞车电机转轴最薄弱的位置。而转轴的其他部位的应力则相对较小，且分布较为均匀。因此，有必要对转轴进行改进设计。

2.2 疲劳分析

绞车电机在使用过程中，一般都是重复性的上下拖拽动作，所以电机转轴的受力情况可以认为是不断重复上下动作[6]，在长时间这样的使用过程中，电机转轴在最薄弱的位置就容易出现应力疲劳，导致转轴出现断裂。

将仿真得到的静力学分析结果进一步带入到疲劳分析模块中，对电机转轴的应力疲劳情况进行分析。分析结果如图3所示，可以看出轴承伸出段的过渡角位置处疲劳寿命仅为5 119次，这个使用寿命完全无法满足绞车的正常寿命要求，即这样的结构设计存在一定的安全隐患。

图3 疲劳变化

3 结构优化

由于现在的电机转轴疲劳寿命不能完全满足现场使用要求，需要对它进行优化设计，重点是优化轴承伸出段的过渡角位置，常用的方法有优化过渡圆角或者增加卸载槽，但是原设计本来就考虑了过渡圆角，再对圆角进行优化效果不是很明显。因此，在轴承上采用增加卸载槽的设计优化，结构如图4。

根据工程力学理论，卸载槽的存在增加了扭力的承担结构，可以在一定程度上分担过渡圆角处的疲劳应力。

图4 优化后转轴模型

将优化后的转轴模型重新导入到有限元分析软件中，添加材料属性，划分网格，加载相同的受力条件，对优化后的转轴进行静力学分析。计算结果如图5所示，从图中可以看出，应力最大位置还是在轴承伸出段的过渡角位置，但是最大应力较优化之前降低了16%，降低到237 MPa。同时，其他部位的应力集中值也得到相应减小，应力分布更加均匀。由此可说明，改进后转轴结构具有更优的结构性能。

将应力结果导入到疲劳模块，计算结果如图6所示，优化后轴承伸出段的过渡角位置疲劳寿命达到8796次，较优化前提升了71.8%，完全可以满足现场使用需求。

图5 优化后静力学分析结果

图6 改进后结构疲劳变化

4 效果检验

电机转轴优化后有效降低了最大应力，提升了转轴整体的抗疲劳强度。为进一步验证改进后转轴的综合性能，将其在山西某矿进行了实际应用试验，结果表明：改进后的轴承结构在近半年的使用中，基本未出现较大程度的结构变形或结构断裂故障，仅出现了较小面积的磨损现象，整体结构强度得到明显提升，转轴疲劳断裂的故障率降低了约50%，大大降低了设备的安全隐患，保障了作业人员的人身安全；同时，据该矿与之前半年进行对比统计，新结构电机转轴的应用，为企业节约了约10万元的维修费用支出。新型电机转轴的应用，取得了良好效果。