采煤机截割部扭矩轴结构形式设计与优选

柴朝帅

（山西焦煤 西山煤电斜沟矿，山西 吕梁 033602）

1 概 况

煤炭是我国经济社会发展的重要资源之一，近年来随着机械化智能化开采的应用，煤矿生产效率越来越高，同时也对煤矿机械性能提出了更高的要求。采煤机作为煤炭开采的关键设备，其工作环境条件恶劣，可靠性要求很高。截割部作为采煤机的组成部件，采煤过程中截割部直接承受着切割煤岩产生的交变载荷。为了避免过岩或夹矸引起截割电机过载导致截割电机憋住损毁，会在截割电机与主传动系统之间设置扭矩轴，除了传动功能外，截割部过载时扭矩轴会断裂，从而起到过载保护的作用。但是在采煤机实际工作过程中，经常出现扭矩轴过载不断裂的现象，未发挥过载保护的功能；还有时候出现未过载但扭矩轴断裂的情况，直接影响采煤机的正常工作。基于斜沟煤矿MG900/2210-GWD 型采煤机截割部扭矩轴，运用有限元仿真分析方法，开展采煤机扭矩轴结构形式设计与优选工作。

2 截割部扭矩轴卸荷槽结构形式

采煤机截割部扭矩轴工作过程中不仅其过载保护的作用，还起运动和动力传动的作用。截割部扭矩轴的常见结构形式端头为空心圆柱直齿渐开线花键结构，以花键套配合实现动力的传动。截割部在截割煤炭的时候，一旦出现截割滚筒过载超出扭矩轴额定承载负荷时，扭矩轴就会断裂，保护截割电机，避免电机烧毁。为了实现扭矩轴的双重功能，会在扭矩轴靠近截割电机的一端设计卸荷槽，过载时卸荷槽位置优先断裂，以此保护截割电动与截割部传动系统。卸荷槽的结构形式包括三种，分别为U 型、V 型、I 型，如图1 所示。为了验证哪一种卸荷槽结构更适合MG900/2210-GWD 型采煤机，运用ANSYS 仿真分析软件开展不同结构形式卸荷槽强度分析，为采煤机优选出合适的扭矩轴卸荷槽结构形式，以提高采煤机工作的可靠性。

图1 卸荷槽结构形式Fig.1 Structure form of unloading groove

3 扭矩轴强度分析

3.1 三维模型

截割部扭矩轴强度分析采用ANSYS 仿真分析方法，建立扭矩轴三维模型，虽然ANSYS 仿真分析软件可以完成扭矩轴三维模型建立，但是相较于常用的三维建模软件SolidWorks、Pre/E 等操作流程较为复杂，因此此次扭矩轴三维模型采用SolidWorks 完成，卸荷槽的直径尺寸为55 mm，另存为.igs 中间格式之后导入ANSYS 仿真分析软件。

3.2 材料属性与网格划分

完成扭矩轴三维模型建立之后需要在ANSYS仿真分析软件中进行前处理，完成扭矩轴材料属性的设置和网格结构的划分。根据实际情况，MG900/2210-GWD 型采煤机扭矩轴材料为40Cr，弹性模量E=211 GPa，泊松比λ=0.277，屈服强度σ=785 MPa，抗剪强度为471 MPa。材料属性参数直接在ANSYS 仿真软件中进行设置即可。材料属性设置完成后进行网格结构的划分，扭矩轴结构较为简单，选择实体单元，设置扭矩轴网格尺寸为1 mm，之后启动网格划分工具完成扭矩轴网格划分工作。

3.3 约束与载荷施加

采煤机扭矩轴工作时一端连接着截割电机输出端，另一端连接截割部传动系统输出端，正常工作时负责动力的传动，只有出现过载时才发挥扭矩轴过载保护的作用。仿真计算时固定扭矩轴的一端，在另一端设置一个扭矩。采煤机型号为MG900/2210GWD，查阅相关资料可知电动机型号为YBCS2-900，电机额定功率为900 kW，额定电压数值为3 300 V。电动机出现过载时，扭矩轴需要在3～5 s 内断开，以保护电动机。为了确保扭矩轴能够起到过载保护，在扭矩轴上设置卸荷槽，要求卸荷槽断裂扭矩低于电机过载时的扭矩值。通常电机过载是指超过电动机额定扭矩2.5 倍，为了更好的保护电动机，卸荷槽的最大承载扭矩不超过输出扭矩的2.2 倍为宜。根据斜沟煤矿MG900/2210-GWD 型采煤机实际运行情况，计算得出扭矩轴施加的扭矩数值为14 500.56 N·m。

4 仿真分析结果

运用ANSYS 仿真分析软件进行采煤机截割部扭矩轴前处理之后打开软件内部的求解器，选择分析结果选项，扭矩轴的主要考察内容为扭矩轴强度，此处选择扭矩轴的等效应力分布云图为仿真计算结果输出。为了更好的分析不同结构形式卸荷槽对扭矩轴变形程度的影响，此处还要提取扭矩轴的等效应变分布云图进行对比，以便确定最佳的卸荷槽结构形式。

4.1 U 型结构卸荷槽分析结果

待采煤机截割部扭矩轴静强度分析工作完成之后提取U 型结构卸荷槽的等效应力分布云图和等效变形分布云图，分别如图2 和图3 所示。由图2的等效应力分布云图可以看出，U 型结构卸荷槽最大载荷工况下工作时的最大剪切应力数值为469.4 MPa，相较于扭矩轴许用剪切应力471 MPa，已经达到断裂的临界状态，且U 型结构卸荷槽的应力集中处于槽底位置，集中位置的应力分布较为均匀，能够取得很好的卸荷效果。由图3 等效应变分布云图可以看出，U 型结构卸荷槽的等效应变数值为3.540×10-5，位置处于U 型结构卸荷槽的底部，应变数值较小，不会对截割部传动产生较大的波动，可以保证采煤机稳定可靠工作。

图2 U型结构卸荷槽等效应力分布云图Fig.2 Equivalent stress distribution cloud diagram of type U structure unloading groove

图3 U型结构卸荷槽等效应变分布云图Fig.3 Equivalent strain distribution cloud diagram of U-shaped unloading groove

4.2 V 型结构卸荷槽分析结果

待采煤机截割部扭矩轴静强度分析工作完成之后提取V 型结构卸荷槽的等效应力分布云图和等效变形分布云图，分别如图4 和图5 所示。由图4的等效应力分布云图可以看出，V 型结构卸荷槽最大载荷工况下工作时的最大剪切应力数值为486.6 MPa，超出了扭矩轴材料的许用应力471 MPa，且相较于U 型结构卸荷槽的等效应力分布云图，V型结构卸荷槽应力集中位置的分布不够均匀。因此，V 型结构卸荷槽会在未达到过载限值条件下就出现扭矩轴断裂，增加采煤机运行维护成本。由图5 等效应变分布云图可以看出，V 型卸荷槽工作过程中的等效应变数值为3.279×10-5，与U 型结构卸荷槽的应变情况相差不大，不会对截割部传动产生明显的影响，可以保证采煤机稳定可靠工作。

图4 V型结构卸荷槽等效应力分布云图Fig.4 Equivalent stress distribution cloud diagram of type V structure unloading groove

图5 V型结构卸荷槽等效应变分布云图Fig.5 Equivalent strain distribution cloud diagram of V-type structure unloading groove

4.3 I 型结构卸荷槽分析结果

待采煤机截割部扭矩轴静强度分析工作完成之后提取I 型结构卸荷槽的等效应力分布云图和等效变形分布云图，分别如图6 和图7 所示。由图6 的等效应力分布云图可以看出，I 型结构卸荷槽最大载荷工况下工作时的最大剪切应力数值为462.4 MPa，应力集中数值与U 型结构卸荷槽接近，但是应力集中分布不均匀。因此，对比U 型结构卸荷槽和V 型结构卸荷槽来说，I 型结构卸荷槽的应力集中较轻，在遇到扭矩电机过载之后不会迅速出现断裂，能够可靠的传递动力，但由于卸荷槽应力集中分布不均，扭矩轴断裂之后的断裂形式不确定，可能出现较大的断裂区域，影响其他传动部件的安全工。由图7 等效应变分布云图可以看出，I 型卸荷槽工作过程中的等效应变数值为3.14×10-5，与U 型结构卸荷槽和V 型结构卸荷槽的应变情况相差不大，不会对截割部传动产生明显的影响，可以保证采煤机稳定可靠工作。

图6 I 型结构卸荷槽等效应力分布云图Fig.6 Equivalent stress distribution cloud diagram of type I structure unloading groove

图7 I 型结构卸荷槽等效应变分布云图Fig.7 Equivalent strain distribution cloud diagram of type I structure unloading groove

4.4 分析与讨论

根据图2～图7 不同结构形式卸荷槽仿真计算结果可以看出，U 型结构卸荷槽的应力集中情况较为适中，工作过程中不仅能够起到保护截割电机的作用，还能够保证截割部动力的正常传递，应力集中分布均匀，一旦出现过载断裂，断裂面的效果较好。V 型结构卸荷槽应力集中数值较低，使用过程中一旦出现很小的过载情况就会出现扭矩轴断裂，不能保证扭矩的可靠传递，出现截割电机传动效率不足的情况。对比上述两种卸荷槽结构形式，I 型结构的卸荷槽应力集中最大，与U 型结构卸荷槽应力集中数值相当，但是应力集中分布不均匀，过载断裂过程中会出现断裂面不确定的情况，存在损伤其他零部件的可能，影响到截割机构安全与对扭转轴的保护作用。

5 结 语

扭矩轴作为采煤机截割部正常运行的传动构件和过载保护构件，其工作的可靠性不仅关系着采煤机的正常工作，还与采煤机的安全运行息息相关，必须引起设计者和使用者的高度重视。本文基于斜沟煤矿MG900/2210-GWD 型采煤机截割部扭矩轴进行研究，运用有限元仿真方法，对3 种卸荷槽结构形式下扭矩轴的设计与静强度进行了分析，结果表明，U 型结构卸荷槽应力集中分布情况比较均匀，且数值合适，可以满足应用要求；V 型结构卸荷槽破断应力数值较小，一旦出现轻微过载就会断裂，过载保护功能较弱；I 型结构的卸荷槽应力与U 型结构相似，但应力集中分布不均匀，过载断裂断面不确定，存在断裂影响其他传动结构安全的可能。综合上述，U 型结构卸荷槽能够起到很好的传动和过载保护效果，是采煤机截割部扭矩轴较为理想的结构形式。