连续采煤机扭矩轴不同类型卸荷槽性能对比分析

李 刚

（山西天地煤机装备有限公司， 山西 太原 030006）

引言

我国煤炭开采量不断增加，开采的位置也由原来赋存简单的煤层向赋存条件复杂的煤层不断变化，连续采煤机是我国煤矿开采的主要设备，其能否在复杂环境下顺利、稳定工作，直接影响着煤炭的开采量。由于复杂煤层中硫化铁结核物质较多，连续采煤机一旦遇到这些物质，可能会发生闷车、过载等状况[1]。

为了保护连续采煤机在复杂工况下的安全性，当连续采煤机处于过载或闷车状态时，连续采煤机扭矩轴会起到保护其他元件的作用，其中扭矩轴首先过载，达到扭矩轴最大承受扭力，发生断裂，从而切断连续采煤机整个传动系统。同时连续采煤机扭矩轴也不能经常性地断裂，频繁更换扭矩轴也会使连续采煤机的工作效率降低。因此扭矩轴的可靠性直接影响着连续采煤机的工作效率，卸荷槽作为扭矩轴中的一个重要结构，其作为扭矩轴中最薄弱的部分，也是扭矩轴功能实现的最可靠保证。

1 连续采煤机扭矩轴的结构及卸荷槽的类型

连续采煤机扭矩轴是一根起到传递动力的传动轴[2]，端部是空心圆柱花键结构，当电机载荷超过核定载荷时，扭矩轴发生断裂，起到保护电机的作用。扭矩轴的材料兼顾轻度和韧性两个方面，一般选择中碳合金钢，经过淬火及回火热处理工艺，要求布氏硬度（HB）280～320。在设计扭矩轴时，还会在轴上加工卸荷槽，卸荷槽处会产生应力集中，是主要的断裂部位。

通过分析目前常见连续采煤机的扭矩轴设计，有三种卸荷槽较为常用，分别是U 型、工型、V 型，如图1 所示。

图1 卸荷槽U 型、工型、V 型结构

2 扭矩轴的有限元分析

2.1 有限元分析思路与方法

有限元法是通过求偏微分方程近似解的一种方法。它是通过将模型进行连续变分，使其成为数目有限的小单元，假设小单元组成的集合体就是原始模型。每个小单元内选择合适的节点作为函数的差值点，将微分方程的变量改成各变量导数的节点值，借助加权余量法，从无限维空间转化到有限维空间，将连续体变为有限离散体。此方法类似于将多段短小直线连接近似于圆形的思路，将总方程式求解域由多个相互联系的子解域组成，推断出满足条件，得出最终近似解。

2.2 扭矩轴的静力学分析

静力学分析的研究对象是离散划分的，通过对小单元的边界及力学分析，每个小单元在整体对象下受力方程不同，在外力作用时会产生小的位移，这可以用来分析整体对象的结构刚度，同时单元体的应力应变加起来也反映了结构的强度。静力学分析是一种不考虑惯性和阻尼效应的受力分析方法，它的前提是假定载荷和响应是固定不变或者变化缓慢的[3]。

2.3 扭矩轴的ABAQUS 分析

ABAQUS 有限元分析软件有强大的单元网格库，能够处理复杂的对象。使用其分析主要分三步，具体为：第一，建立有限元模型；第二，模型运算分析；第三，分析结果的后处理，可以通过云图来显示结果。

想要达到分析与实际相吻合的效果，必须结合扭矩轴的使用环境来选择材料，扭矩轴在使用时应对多变的载荷变化，具有抗疲劳、抗冲击的性能，还要有一定的硬度，一般可选低碳钢。通过参考生产厂家资料，选取42CrMo 作为模型材料。该材料的泊松比为0.3，弹性模量为210 GPa，屈服应力设置为900 MPa。

扭矩轴使用中最主要的参数是扭矩值，所能传输的最大扭矩首先要大于电机启动时的最大转矩，还要保证扭矩轴不在瞬时超过最大承载扭矩时就发生断裂。另外，最大载荷还要满足适应电机正常运行工况的可靠度。综合考虑选取电机额定扭矩的2.2倍作为扭矩轴的最大转矩。根据电机功率及转速，计算所施加的扭矩为7 200 N·m。

本文使用SolidWorks 进行扭矩轴的模型建立，通过X_T 格式文件导入ABAQUS 中。将模型工作环境切换至property 模块，进行创建材料、截面、指派截面等操作，对模型赋予材料。

之后通过Assembly 模块和Step 模块对模型进行装配和分析步的建立。因为扭矩轴是传动轴，使用时其一端连接电机，另一端连接减速器。在模型中先构造一个花键筒套在卸荷槽附近的花键上，在轴心建立耦合点，模拟电机扭矩传递至扭矩轴的情况，以此来创建边界条件和添加载荷。最后进行网格划分，将扭矩轴模型离散成为有限个小单元。扭矩轴为导入的实体模型，可以直接进行网格密度划分，选择ABAQUS 软件默认的网格划分规则[4]，根据实际工况，选择自由度为3 的小单元，但单元是一种三维固定结构，具有应力强化、大应变、大变形等能力。网格化后模型如图2 所示。

图2 网格化后模型

点击submit 按钮提交分析，有限元分析就正式开始了，等到显示completed，则分析完成，点击results 按钮，界面进入visualization 模块[5]。在此模块中，可以通过Mises 查看应力云图、应变云图等。三种不同卸荷槽在同一扭矩作用下的应力、变形情况如图3 所示。

图3 三种类型卸荷槽应力（MPa）、变形（m）云图

通过分析云图，在施加同一扭矩的情况下，三种类型卸荷槽的最大应力均集中于轴径处，且应力集中现象很明显。其中V 型卸荷槽的应力值最大，为507 MPa，最为敏感；U 型卸荷槽的只有436 MPa；工型卸荷槽的应力值为454 MPa。由此可得，U 型卸荷槽的应力值最小。再来看变形量，U 型卸荷槽的变形量最小，这样在实际发生断裂时，不容易卡死连续采煤机，方便维修更换。因此，U 型卸荷槽是三种类型卸荷槽中设计最为合理的。

3 结论

本文以连续采煤机的扭矩轴为研究对象，运用ABAQUS 有限元分析方法，对不同类型卸荷槽进行了静力学分析，通过分析同种载荷下U 型、V 型、工型三种卸荷槽的应力和变形云图，找出卸荷槽最合理的设计为U 型卸荷槽。其使得扭矩轴既能满足传递扭矩的功能，又能更好地实现断裂卸荷作用，有效地保护了连续采煤机的电机，而且因其变形量小，对于更换或维修效率也有很大提高，可以很好地改善连续采煤机的工作效率，适应更复杂的采煤工况。但本文对于卸荷槽的研究尚处于初级水平，后续还需在U 型卸荷槽的具体尺寸方面作进一步研究，更好地为煤矿行业服务。