采煤机截割部扭转轴优化设计研究

史岩鹏

（山西焦煤集团有限责任公司官地煤矿， 山西 太原 030000）

引言

我国煤矿资源储量丰富但赋存条件较为复杂，在开采复杂煤层时，常常由于工作面的地质较为复杂造成采煤机工作时受到不同强度载荷的冲击发生故障，同时在采煤机进行工作时由于夹矸造成采煤机截割部电机发生故障，造成煤矿产煤率降低，所以采用扭矩轴来保护截割部电机及采煤机的传动系统。但在采煤机的实际操作过程中，由于截割部受到的载荷过大等因素造成扭矩轴未发生断裂，不能有效地保障采煤机的安全运行，为解决此问题，许多学者对其进行研究。闫云飞[1]以王村煤业采煤机为研究对象，研究截割电机在超载情况下扭转轴未发生断裂的问题，提出一种扭矩轴的设计方案，通过对卸荷槽及材料的优化，有效地解决了超载未断裂的问题。韩飞[2]为了保障采煤机截割部的安全运行，在原有对采煤机过载保护的基础上，利用限距器对采煤机的截割部扭转轴进行设计，通过现场实测验证了设计的可行性。赵丽娟[3]通过建立刚柔虚拟样机模型对采煤机扭转轴的断裂特性进行模拟分析，并利用断裂力学理论对采煤机扭转轴的受力进行研究，为后续的对采煤机扭转轴的优化提供一定的借鉴。谭永跃[4]为了提升采煤机摇臂扭矩轴的安全槽过载保护性能，利用ANSYS数值模拟软件对扭转轴进行静力学分析，结合扭转静强度的安全系数，得到了安全槽的优化结构，有效地提升了采煤机摇臂的安全性。本文通过数值模拟软件对采煤机扭转轴的三种槽型进行静力学分析，通过对比分析给出了扭矩轴卸荷槽最优尺寸及槽型。

1 三种槽型应力对比分析

采煤机截割部的扭转轴其实际是一根传动轴，在扭转轴的端头位置设置为空心圆轴直齿渐开线花键形状，用于动力的传递。在采煤机工作过程中，当截割电机所受的载荷强度大于额定负载时，此时的采煤机摇臂部位的扭转轴发生断裂，及时保证电机的安全。所以在进行扭转轴的设计时需要在接触电机的位置进行卸荷槽的设计，用于实现过载断裂，保证采煤机截割系统的安全。

为了对扭转轴进行优化设计，本文利用abaqus数值模拟软件对不同槽型（U型、V型、I型）的扭转轴进行模拟。首先进行模型的建模。模型的建模利用Solidworks进行模型的建立，分别对U型、V型、I型三种槽型的扭转轴进行建模。模型尺寸建立后对模型进行网格划分，本文网格划分选用四边形划分法，完成网格划分后对模型进行材料属性设置，根据扭转轴的实际力学参数对模型进行设置，对模型的边界条件及载荷进行设置，提交作业进行模拟计算。

首先对U型槽型最小截面尺寸（直径）分别为55 mm和57 mm的模型进行对比分析，计算结果图如1所示。

图1 U型槽不同横截面最小尺寸（直径）应力（MPa）对比图

根据图1可以看出，当横截面最小直径为55 mm时，此时应力集中部位出现在卸荷槽的位置，应力的最大值为0.83 MPa，应力值明显较小，应力分布较为均匀，此时模型整体的卸压效果较好。当横截面的最小直径增大至57 mm时，此时卸荷槽的应力最大值为6.96 MPa，应力集中效果较横截面最小直径55 mm时有所降低，卸荷槽的应力集中效果减弱，扭转轴的断裂位置不明显。

对V型卸荷槽进行模拟，同样对不同最小截面尺寸（直径）55mm和57mm进行对比，对比图如2所示。

图2 V型槽不同横截面最小尺寸（直径）应力（MPa）对比图

如图2所示，当横截面最小尺寸为55 mm时，此时应力集中部位出现在卸荷槽的位置，应力的最大值为0.55 MPa，应力分布较为均匀，应力值较低，对比U型槽时应力分布均匀性有所降低，此时卸荷槽的最大应力值小于其工作额定载荷，在未发生超载时也会发生断裂，所以不符合要求。当横截面的最小尺寸增大至57 mm时，此时卸荷槽的应力最大值为7.75 MPa，应力集中效果较横截面最小直径55 mm时有所降低，卸荷槽的应力集中效果减弱，槽径所受的最大应力有所增大，但扭转轴的断裂位置仍不明显。对I型卸荷槽进行对比分析，最小截面直径选择55 mm和57 mm，对比图如3所示。

如图3所示，当横截面最小尺寸（直径）为55 mm时，此时应力集中部位出现在卸荷槽的位置，应力的最大值为0.87 MPa，应力分布最为均匀，但应力值较低，且在卸荷槽位置的应力集中效果较差，应力的传递较好。当横截面的最小直径增大至57 mm时，此时卸荷槽的应力最大值为5.76 MPa，应力集中分布的效果较U型和V型有所加强，但卸荷槽的应力集中现象减弱，横截面的断裂不明显，极易造成断裂面的不均性。

对比三种槽型扭转轴的应力云图可以看出，当卸荷槽为U行时，此时卸荷槽的应力效果减弱，保护截割部的效果较好，且断裂形成后，卸荷槽形成的断面效果最为理想。当卸荷槽选择为V型时，此时的卸荷槽应力集中减弱，扭矩轴的传动效果较差，导致的传动效果不佳。当卸荷槽选择为I型时，此时卸荷槽的应力集中效果处于U型槽之后，形成的断面形状不明显，影响截割机构对扭转轴的保护。

图3 I型槽不同横截面最小尺寸（直径）应力（MPa）对比图

2 应变对比及优化

同样对不同槽型下不同横截面积扭转轴的应变进行对比，发现在横截面尺寸（直径）55 mm下的应变量分别为 3.54E-05、3.27E-05、3.165E-05，三种槽型的变形量几乎相同，将截面尺寸从55 mm提升至57 mm时，此时的卸荷槽的应变量分别为3.28E-09、1.9E-05、3.165E-05。可以看出经过优化后U型槽的抗变形能力明显加强，在相同载荷下，其保护作用最为明显，对采煤机截割部的冲击保护最为明显。

综上所述，经过对三种槽型不同尺寸卸荷槽应力应变的对比分析发现，将卸荷槽的直径从55 mm提升至57 mm后，应力集中现象减弱，较为符合电机的安全倍数，且断裂时截面整齐，保证了传动的效率。

3 结语

通过对采煤机扭转轴在三种槽型（U型、I型及V型）进行静力学分析，给出了三种槽型下应力应变云图，经过对应力云图进行分析，给出了各种槽型在不同卸荷槽尺寸下的优缺点，综合对比后发现U型卸荷槽最为合理，在发生过载情况时会及时发生断裂，发生断裂的位置较为集中且断裂面较为平整，对壁55 mm和57 mm的应力分布发现，直径为57 mm时，此时扭转轴的效果最佳。