采煤机扭矩轴承载性能的仿真研究

赵 虎

（晋能控股煤业集团四台矿， 山西 大同 037000）

引言

我国具有储量丰富的煤炭资源，采煤机是进行煤炭开采的重要设备，目前我国使用的主要是滚筒式采煤机。滚筒式采煤机采用滚筒自动截割的方式进行煤炭的开采，可以降低井下作业人员的工作强度，提高煤矿开采的安全性。在采煤机进行开采的过程中，由于井下工作条件复杂，且煤层分布不均，采煤机所受到的负载复杂多变，对采煤机的性能具有较高的要求。

为使采煤机设备避免由于受到较大的载荷或冲击作用而受损，通常将扭矩轴安装于截割滚筒和传动系统之间。扭矩轴作为过载保护的装置，当有较大的载荷或冲击作用时，扭矩轴设有卸荷槽结构[1]，可以及时断裂，避免截割电机受到损坏，在正常工作过程中，扭矩轴的存在可以起到一定的减振作用，使得截割部分的传动更加平稳。因此，扭矩轴断裂值的设定对于采煤机的运行具有直接的影响，过大或过小的断裂值都会影响采煤机的寿命及效率[2]。对采煤机扭矩轴的承载进行分析，可以更加有效地设定扭矩轴的断裂值，优化扭矩轴的结构，从而可以提高采煤机的工作可靠性，保证采煤机的高效运行。

1 扭矩轴有限元模型的建立

由于煤层中煤矸石等各种杂质的存在，使得采煤机容易受到冲击或者过载作用，这时需要扭矩轴自身产生断裂，实现保护采煤机的作用。扭矩轴采用缺口断裂效应的方式进行设计，在扭矩轴的颈部位置设计有卸荷槽[3]，使扭矩轴在卸荷槽处产生应力集中，在发生冲击或者过载时，扭矩轴的卸荷槽处承载最大，在此处发生断裂。对扭矩轴的承载进行分析，首先依据某型号采煤机对其扭矩轴建立模型，如图1 所示。

图1 扭矩轴模型

扭矩轴的材料选用合金结构钢40CrNiMo，设定材料的参数泊松比为0.3，密度为7.8 kg/m3，弹性模量为209 000 MPa，采用有限元分析软件ANSYS Workbench 对扭矩轴模型以自由网格的形式进行网格划分处理[4]。在划分网格时，网格的大小对于结果的分析具有直接的影响，网格太小时，会对计算机的性能要求较高，并且需要消耗较长的计算时间，网格太大时，由于扭矩轴结构较小，较大的网格不能真实地反映扭矩轴的变形及应力情况。以自由网格的形式，在花键轴及卸荷槽处设置网格的大小，完成扭矩轴的网格划分。

网格化完成之后，对扭矩轴的承载进行设定，限制卸荷槽一端的5 个自由度，仅保留径向的旋转自由度，在另一端添加相应的固定约束，限制所有的自由度。由于电机的传动作用，在扭矩轴的花键连接处其分配是沿着啮合曲线变化的[5]，变化过程较为复杂，在分析的过程中，将载荷力沿着花键齿进行平均分布，简化载荷的加载情况，将啮合力平均施加到花键齿上，得到扭矩轴的载荷约束图如下页图2 所示。

2 扭矩轴承载性能的分析

将上述前处理在ANSYS Workbench 中设置完成后，添加扭矩轴的应力作为求解结果，运行仿真分析，得到扭矩轴的应力变化情况如下页图3 所示，从图3 中可以看出，扭矩轴在卸荷槽处的应力值最大，存在应力集中现象，最大应力值为489 MPa。扭矩轴采用合金结构钢40CrNiMo，为保证扭矩轴能及时断裂，起到保护作用，选择扭矩轴的许用应力为最大值508 MPa[6]，由此可知，在所分析的工况中，最大应力值不能达到扭矩轴的断裂强度，扭矩轴无法发挥过载保护的作用，需对扭矩轴的结构进行优化。

图2 扭矩轴约束载荷加载图

图3 扭矩轴应力分布图

扭矩轴卸荷槽处存在的应力集中现象是扭矩轴产生断裂的主要原因，为了使扭矩轴发挥作用，对卸荷槽处的结构进行优化，卸荷槽处的R 值不同，且影响应力分布的主要因素，如图4 所示，对R 值依次选取不同的值，分别进行应力分布的仿真分析，得到不同R 值对应的最大应力值。

将对应不同R 值的最大应力值进行连接，得到如图5 所示的应力分布曲线。从图5 中可以看出，随着R 值的增加，扭矩轴卸荷槽处的最大应力值呈现一定指数分布的增加，在R 值较小时，曲线的斜率较低，说明应力值的增加值较小，随着R 值的增加，曲线的斜率逐渐增加，此时应力的增加较大。在卸荷槽R 值为30 mm 时，扭矩轴的最大应力基本等于许用应力值508 MPa，由此往后，R 值的增加，应力值均大于508 MPa，此时，扭矩轴在受到冲击或者过载作用时能够及时断裂，起到保护采煤机的作用。

3 结论

图4 扭矩轴卸荷槽R 值

图5 最大应力值分布曲线

采用ANSYS Workbench 对采煤机卸荷槽处的最大应力值进行仿真分析，通过仿真结果显示，卸荷槽的结构不能满足断裂的需求，因此对扭矩轴进行结构优化。通过改变卸荷槽处的R 值来改变扭矩轴的最大应力，通过选取不同的卸荷槽处R 值，得到扭矩轴最大应力的分布曲线，从而可以优化扭矩轴卸荷槽处的R 值。当选取的R 值大于30 mm 时，最大应力值均大于508 MPa，扭矩轴在受到冲击或者过载作用时能够及时断裂，起到保护采煤机的作用。