滚筒式采煤机扭矩轴改进设计与应用研究_闵文.pdf

滚筒式采煤机扭矩轴改进设计与应用研究闵文1，许强2（1.铁法煤业（集团）有限责任公司物资供应分公司，辽宁调兵山112700；2.铁法能源集团大强煤矿有限责任公司，辽宁调兵山112700）摘要：针对截割部扭矩轴进行研究，通过 ANSYS 有限元仿真计算软件的应用，对扭矩轴的强度进行分析和优化，在实际优化中通过改变卸荷槽的半径 R 值来提高卸荷槽处的最大应力值，使其达到扭矩轴材料的许用应力值，在扭矩轴受到过载作用下可以及时断裂，最终完成对扭转轴的优化设计。关键词：滚筒式采煤机；卸荷槽；扭矩轴；半径中图分类号：TD421.61文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0137-020引言在当前的煤矿企业生产中，采煤机是极其重要的生产设备，当前煤矿企业主要使用滚筒式采煤机，在其自动化的截割作业下可以降低井下人员的工作强度并提高煤矿开采的安全性。在实际生产中，扭矩轴在采煤机截割部中起到过载保护作用，具体应用中扭矩轴一端会连着切割电机的输出轴，另一端的花键会和切割部齿轮传动系统的一级齿轮相连，在切割电机承受较大载荷和冲击作用时，可以在卸荷槽处进行断裂从而保护切割电机，同时也有着缓冲减震和平稳传递扭矩的作用。所以，针对于扭矩轴断裂值的设计是否合理，可以直接影响到采煤机截割部传动系统的寿命和采煤机的整体生产效率。本文使用有限元分析软件对扭矩轴进行静力学分析，并进行设计优化。1扭矩轴缺口效应1.1应力集中应力集中效应指的是某构件的截面尺寸在发生变化时造成的局部应力增大。如果构件上出现槽沟、孔洞、阶梯等情况时，构件上的应力就不会均匀分布，这也是构件出现断裂、损坏的重要原因。从煤矿企业中的滚筒式采煤机生产上看，通过对应力集中现象进行利用，可以起到对机械结构的保护作用，需要进行深入研究1。1.2缺口效应对于固体材料构件而言，缺口效应是常有的现象，构件的破坏很多是因为材料缺陷或裂纹导致的，一般在断裂力学中会将构件的缺陷简化为裂纹。缺口效应一般有以下三方面影响因素：第一，材料负载特性和零件的几何形状会对局部应力值和应变大小产生影响；第二，材料的种类和机械加工方式会对构件微观结构造成影响；第三，构件表面粗糙度和应力腐蚀会对构件切口效应造成影响。1.3断裂设计裂纹技术就是人为主动对缺口效应引起的应力集中现象进行应用。在将裂纹技术应用在合适的部分，可以使构件缺口处的裂纹发生扩展，进而使构件缺口截面发生快速和规则的断裂。将断裂从预防到主动设计的方式就是“断裂设计”。在煤矿生产中，滚筒式采煤机在扭矩轴的颈部会设计一定深度的凹槽，一般称为“卸荷槽”。因为卸荷槽的存在，可以让卸荷槽处出现应力集中现象，进而可以使扭矩轴在负载达到一定值时，卸荷槽处断裂起到保护截割部的作用2。2有限元模型建立和仿真计算分析2.1建立实体模型通过采煤机扭矩轴的测绘数据和工程图纸的分析，在利用 SolidWorks 软件后可以对扭矩轴的实体模型进行建立，在实际的模型中忽略了扭矩轴实体中存在的圆角和倒角等因素，以保证针对扭矩轴断裂方面研究的准确性。图 1 为扭矩轴的模型。2.2网格划分在对扭矩轴进行网格划分时，需要先做好扭矩轴材料属性的设置，具体材料和属性可以参考下页表1。在针对扭矩轴进行有限元仿真分析中，需要重视网格类型的划分，这能直接影响实际仿真计算的结果。具体要结合扭矩轴实体中的内部情况，通过对 solid186收稿日期：2022-04-08作者简介：闵文（1989），男，辽宁调兵山人，毕业于沈阳航空航天大学机械设计制造及其自动化专业，本科，现就职于铁法煤业（集团）有限责任公司物资供应分公司配件部，工程师；许强（1984），男，辽宁铁岭人，毕业于辽宁工程技术大学机械工程及自动化专业，学士学位，工程师，从事煤炭开采工作。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.055图 1扭矩轴模型0.0000.1500.300（m）YZX优化改造机械管理开发第 38 卷（下转第 141 页）四面体网格形式对扭矩轴进行网格划分，启动自由划分网格功能，实现网格的有效划分。需要注意的是，当网格太小或太大时，分别会影响计算消耗的时间和网格所反映扭矩轴变形与应力的真实情况，需要注重自由划分网格功能的使用3。2.3约束与施加载荷在对模型材料选择及网格划分后，还需要对扭矩轴进行外部条件设计，具体需要在扭转轴的一侧施加位移约束力，在保留扭矩轴绕 Z 轴旋转的自由度下，使其他五个自由度位移设置为 0。其次，在扭矩轴的另一侧也要添加固定力约束，将扭矩轴的方向自由度进行限制。因为切割电机、传动系统和扭矩轴是通过内花键结构进行连接，所以全部的花键齿都受力，为了有效降低扭矩轴仿真计算受到其他方面的影响，需要简化计算中荷载施加的情况，将扭矩轴的啮合力转变为压强平均施加在扭矩轴花键键齿的各个断面，且计算出每个花键键齿端面所需要承受的压强为31.5MPa。2.4具体仿真结果在完善 ANSYS Workbench 中相关数据设置后，将扭矩轴应力设为求解结果并启动 ANSYS，得到的扭矩轴的仿真应力分布，具体如图 2 所示。结合图 2进行分析，可以明显观测到扭矩轴在仿真计算中表现出的最大应力为 489.46 MPa，且位置在凹槽的底部，不过最大应力和扭矩轴材料的许用应力（508 MPa）相比较，还不能起到及时剪断扭矩轴，进而实现对切割机的保护作用。这种情况也是当前采煤机切割电机中经常出现过载闷机的原因，所以需要针对扭矩轴进行改进设计，使其可以满足过载保护上的要求。3扭矩轴优化设计方案3.1方案设计扭矩轴卸荷槽中存在应力集中时，是促使扭矩轴发生断裂的主要原因，为了有效提高扭矩轴断裂对采煤机的保护，需要对卸荷槽的半径 R 进行优化，不同的半径值能够产生不同的应力集中效果。需要注意的是，缩小扭矩轴的整体直径尺寸也能提高凹槽中的应力集中值，不过这会影响扭矩轴的整体强度，为此本文只分析凹槽 R 值对应力集中的影响。为保证方案准确性，针对凹槽 R 值设计为 30.5 mm、30 mm、29.5 mm、29 mm、28.5 mm、28 mm 六组，分别进行应力分布的仿真试验分析。图 3 为扭矩轴剖面图。3.2结果分析通过仿真试验得出的数据具体参考表 2，结合表2 分析，随着 R 数值的增加，扭矩轴卸荷槽处的最大应力值也随着增加，在卸荷槽 R 值为 30 mm 时，扭矩轴的最大应力基本等于扭矩轴材料的许用应力值508 MPa，且随着 R 值的增加，在 R 值等于 30.5 mm时，最大应力值为 563.0 MPa，已经远远超过扭矩轴材料的最大许用应力值。为此，在卸荷槽 R 值为 30 mm时，能够在受到冲击或者过载作用下，扭矩轴及时断裂完成对采煤机的保护。4试验验证为了证明上述扭矩轴改进方案的有效性，需要针对优化后的扭矩轴结构尺寸进行加工制造。将优化后的扭矩轴安装在滚筒式采煤机中，将仿真计算中的扭矩载荷作为实际施加的载荷，对扭矩轴的断裂情况进行观察。结合试验情况看，在缓慢增加载荷时，扭矩轴并未出现明显的变形，不过在扭矩轴承载的负荷到达过载载荷时，扭矩轴瞬间出现断裂现象。通过对每个花键的齿端压强进行计算，可以发现具体压强数值为31.6 MPa，与仿真计算中的 31.5 MPa 基本一致。结合试验可以了解到，扭矩轴的优化改进方案具有可行性，能起到对滚筒式采煤机的良好保护作用。5结语在采煤机扭矩轴处卸荷槽的应力集中值小于该部件材料的剪切强度时，就容易导致截割电机过载闷机的问题。在利用 ANSYS 对滚筒式采煤机卸荷槽最大应力进行分析后，可以发现当前采煤机卸荷槽的结构无法起到保护采煤机的作用，为此需要对扭矩轴卸荷槽的 R 值进行优化。通过实际的试验发现，不同的R 值可以改变扭矩轴卸荷槽处的最大应力。结合扭矩轴材料的许用应力为 508 MPa，在 R 值为 30 mm 时能基本满足扭矩轴断裂的需求，且随扭矩轴材料弹性模量/GPa泊松比抗拉强度/MPa屈服强度/MPa密度/（kg m-3）40CrNiMo2080.299658217.8表 1材料属性设置图 2扭矩轴应力分布图 3扭矩轴剖面（单位：mm）参数卸荷槽 R 值/mm2828.52929.53030.5最大应力值/MPa400.1430.2455.5471.8506.6563.0表 2不同 R 值下的卸荷槽应力值489.46 Max435.13380.81326.48272.16217.83163.5109.1854.850.523 71 MinUnit:MPa200.00300.00100.000.00400.00（mm）xyz601 135R1382023 年第 6 期接近频率上下值，以免箱体运行中产生频率共振情况。4减速箱箱体优化及工程应用结合有限元分析结果，在考虑经济性及综合性能的情况下，对减速箱箱体实施以下几项改进：对于中间箱体前侧应力集中区域材料加厚 3 mm，其他部分材料打薄 5 mm；对于输入箱体下表面及前后侧材料打薄 5 mm，内隔板材料加厚 3 mm；对于输出箱体螺栓固定区域则需要切出四个角，并在输出箱体与机架相连接区域设置 8 个连接孔，用于分散连接应力及减小振动。在提出优化方案后，通过有限元分析方法初步检验优化方案的有效性，之后将优化方案运用于工程实践，并开始为期 6 个月的工程应用分析。最终在工程实践过程中发现，相对于传统矿用刮板输送机减速箱箱体结构来说，优化方案中的箱体结构不仅可以有效降低减速箱箱体整体振动频率，保障箱体综合性能，还能够减轻箱体质量，降低箱体制造成本，进而达成多方面提高经济效益的效果。因此，综合分析后确定此优化方案值得在后续减速箱结构优化中进行参考应用。5结语通过有限元分析结果可知，矿用刮板输送机减速箱箱体的结构性能虽然可以满足使用需求，但在实际使用中还存在频率共振的风险。针对此种情况，本文以经济性和综合性能为分析视角，提出一种矿用刮板输送机减速箱箱体优化方案，并对此方案进行有限元分析和工程实践分析，最终发现此优化方案相较于传统减速箱箱体结构来说，不仅质量更轻、成本更低，而且综合性能得到有效提升，可以在一定程度上避免减速箱运行中所产生的频率共振破坏问题，因此，此优化方案具有一定的应用价值。参考文献1郭树伟.不同工况下刮板输送机减速箱箱体结构性能的研究J.机械管理开发，2021，36（8）：125-127.2徐程兵.SGB420/30 型刮板输送机减速箱体结构优化设计研究J.机械管理开发，2020，35（10）：57-58；61.3顼志刚.SGZ-764/400 型刮板输送机的减速机对轮改造J.山东煤炭科技，2020（4）：133-134.4文卫星，谢地，侯志燕.基于虚拟样机技术的重型刮板输送机减速器齿轮弯曲应力分析J.煤矿机械，2020，41（8）：84-86.5李泽.SGZ800 型刮板输送机减速器箱体的结构性能研究 J.机械管理开发，2021，36（2）：110-112.（编辑：王慧芳）Optimization of the Gearbox Box of Mining Scraper ConveyorZhang Hui（Shanxi Coking Coal Huozhou Coal Power Fenyuan Coal Industry Co.,Ltd.,Xinzhou Shanxi 035100）Abstract:Based on the failure form of the reducer box of the scraper conveyor for mining,the finite element model of the reducer box ofthe scraper conveyor for mining is reasonably constructed.On this basis,statics analysis and dyna