采煤机截割部扭矩轴卸荷槽半径对其扭剪强度的影响

白彦明

（宁武县能源职工安全培训中心，山西 宁武 036700）

1 概 况

采煤机作为煤炭掘进生产的关键设备，具有效率高、寿命长、工作可靠等优势，在煤炭行业应用极为广泛。截割部作为采煤机的重要组成部分，是截割煤岩的主要运动系统，设计包括传动系统、驱动系统和电气控制系统等。扭矩轴作为采煤机截割部的核心部件，连接电机与传动系统，主要作用是动力传输、缓冲启动和采煤机过载保护，当截割部承受的载荷超出电机输出扭矩时，扭矩轴自动破断，起到保护截割电机的功能。但工作实践表明，采煤机过载时，由于截割煤岩的结构极为复杂，滚筒承受的阻力及阻力矩是随机的，某些时候会出现过载扭矩轴不断的情况，憋坏截割电机。因此，针对上述现象，以南沟煤矿MG300/710-WD 型采煤机为例，借助有限元仿真分析软件，开展扭矩轴卸荷槽半径大小对扭矩轴扭剪强度的影响规律研究，对于更好的为截割电机匹配扭矩轴具有重要指导意义。

2 扭矩轴结构与材料

南沟煤矿MG300/710-WD 型号采煤机使用的扭矩轴结构形式如图1 所示，主要涉及扭矩轴的长度L，扭矩轴的直径D，卸荷槽外径尺寸d，卸荷槽圆弧半径r 和卸荷槽最小直径尺寸d0。扭矩轴的长度和直径主要影响其扭转刚度，工作时发挥缓冲作用；卸荷槽外径尺寸和卸荷槽圆弧半径主要影响扭剪强度，工作时发挥过载保护作用。扭矩轴材料选择较为讲究，需要有足够的冲击韧性，又要保证扭矩轴具有足够的强度进行动力传输，目前MG300/710-WD 型采煤机扭矩轴使用的材料为40Cr，调质处理之后具有很好的强韧性，满足扭矩轴工作运行的要求。

图1 扭矩轴结构Fig.1 Torque shaft structure

图2 有限元仿真分析模型Fig.2 Finite element simulation analysis model

3 有限元仿真分析

3.1 三维模型建立

基于MG300/710-WD 型号采煤机使用的扭矩轴结构形式和测绘结果，绘制扭矩轴三维模型，扭矩轴长度L=1 135 mm，端部花键外廓尺寸为94 mm 和84 mm，卸荷槽位置的外径尺寸为78 mm。考虑到有限元仿真前处理时花键进行网格划分极易出现问题的情况，对扭矩轴三维模型进行了简化，省略了花键结构，简化为圆柱形。

3.2 材料属性

扭矩轴卸荷槽的材料为40Cr，其抗拉强度数值为962 MPa，屈服强度数值为820 MPa，根据经验确定，扭矩轴的扭剪强度取屈服强度的0.55～0.62 倍，计算可得扭矩轴的扭剪强度数值取451～508 MPa，为了使扭矩轴工作时能够起到过载保护的作用，取许用扭剪强度数值为508 MPa，完成材料属性设置。

3.3 网格划分

扭矩轴材料属性设置完成之后进行网格划分，设置网格结构的尺寸数值，卸荷槽以外结构的网格尺寸设置20 mm，因重点研究卸荷槽位置的扭剪强度，需对卸荷槽附件进行网格细化，设置网格结构尺寸数值为5 mm。之后启动ansys 仿真软件自带工具进行网格划分，得到扭矩轴的有限元仿真分析模型，如同2 所示。

3.4 约束与载荷

有限元仿真分析前处理的最后一步是进行约束和载荷的施加，根据南沟煤矿实际情况以及采煤机截割电机的参数，设置扭矩轴的扭剪载荷为19 358.1 N·m，即将该扭转载荷施加在其与电机连接的另一端，固定扭矩轴与电机连接一端，至此完成扭矩轴有限元仿真分析前处理工作。

4 仿真分析

4.1 仿真变量设置

此处重点研究采煤机截割部扭矩轴卸荷槽半径对其扭剪强度的影响，确定扭矩轴的破断条件，因此需要设计不同扭矩轴卸荷槽半径尺寸，分别进行仿真计算，获取扭矩轴的最大剪切应力数值。基于扭矩轴原卸荷槽半径尺寸，设计卸荷槽尺寸分别为22.5、23、24、24.5、25.5 mm。

4.2 仿真分析结果

将完成前处理的扭矩轴有限元仿真分析模型进行分析计算，计算完成之后提取不同卸荷槽半径对应的扭矩轴最大剪应力分布云图，如图3 所示，依次为卸荷槽半径尺寸22.5、23、24、24.5、25.5 mm 的应力分布云图。由图3 可以看出，整个扭矩轴仿真结果中，最大剪切应力均发生在卸荷槽内直径最小的位置，主要区别是不同卸荷槽圆弧半径的最大剪切应力数值不同。

基于扭矩轴仿真分析结果可以得出，卸荷槽圆弧半径为22.5 mm 时的最大剪应力数值为432.05 MPa；卸荷槽圆弧半径为23 mm 时的最大剪应力数值为450.15 MPa；卸荷槽圆弧半径为24 mm 时的最大剪应力数值为492.91 MPa；卸荷槽圆弧半径为24.5 mm 时的最大剪应力数值为516.55 MPa；卸荷槽圆弧半径为25.5 mm 时的最大剪应力数值为581.59 MPa。

为了更直观的表征扭矩轴卸荷槽圆弧半径对于扭矩轴最大剪切应力的影响规律，运用Matlab 软件进行曲线绘制，进行多项式拟合得出卸荷槽圆弧半径对应的卸荷槽扭矩轴的最大剪应力关系，如图4 所示。拟合之后的函数关系式如下：

图4 卸荷槽圆弧半径对应的扭矩轴最大剪应力Fig.4 Maximum shear stress of the torque shaft corresponding to the arc radius of the unloading groove

式中：σm为最大剪应力，MPa；r 为卸荷槽圆弧半径，mm。

由图4 可以看出，随着扭矩轴卸荷槽圆弧半径尺寸的增大，扭矩轴工作时的最大剪应力数值逐渐增大。由拟合得到的多项式进一步计算得出扭矩轴工作时，在最大剪切应力508 MPa 条件下，扭矩轴刚好发生剪断时的卸荷槽圆弧半径尺寸为24.33 mm，根据上述公式能够快速计算出扭矩轴过载剪断时的卸荷槽圆弧半径尺寸，更好的指导设计与扭矩轴的改进工作。

5 仿真验证

为了验证上述拟合公式的准确性，重新进行仿真计算，修改扭矩轴仿真模型的结构尺寸，将卸荷槽圆弧半径修改为24.33 mm，之后进行扭矩轴最大剪应力仿真计算，仿真材料属性、网格划分、约束设置和载荷施加均与前面仿真计算相同。

待扭矩轴仿真计算完成之后提取扭矩轴仿真计算结果，得出扭矩轴卸荷槽圆弧半径为24.33 mm 条件下扭矩轴的最大剪切应力云图，如同5 所示。由图5 可以看出，卸荷槽圆弧半径为24.33 mm 时扭矩轴的最大剪应力数值为508.53 MPa，与实际扭矩轴的剪切强度508 MPa 基本一致，故而验证了拟合曲线的准确性，能够有效指导扭矩轴的设计与改进。

图5 扭矩轴卸荷槽圆弧半径24.33 mm时的最大剪切应力云图Fig.5 Maximum shear stress nephogram of the torque shaft unloading groove when the arc radius is 24.33 mm

6 结 语

扭矩轴作为采煤机截割部内连接驱动电机与传动系统的关键部件，其工作的可靠性至关重要，既要起到动力传递作用，又要起到过载保护效果。针对南沟煤矿MG300/710-WD 型采煤机扭矩轴工作时存在过载保护不灵、憋坏电机的问题，开展了不同卸荷槽圆弧半径对扭矩轴最大剪切应力的影响研究。结果表明，扭矩轴工作时的最大剪应力数值随卸荷槽圆弧半径尺寸的增大而增大，并对对扭矩轴最大剪切应力和卸荷槽圆弧半径关系进行拟合得到多项关系式，通过仿真模拟验证了多项关系式的准确性，能够指导扭矩轴的设计与改进工作。