采煤机扭转轴卸荷槽最佳尺寸研究

王亚川

（山西凌志达煤业有限公司，山西 长治 046000）

我国煤炭资源分布十分广泛，整体储量较大。近几年，随着我国国民经济快速发展，对煤矿能源的需求量持续增加。据不完全统计表明，煤炭行业作为我国的支柱产业，其在我国一次能源消耗占比中超过75%，同时煤炭资源为我国提供约75%的工业燃料、80%的商品能源及76%的发电燃料。所以为了响应快速增长的煤炭需求，对矿井进行高效可持续开采十分重要。采煤机作为矿井采掘的重要设备，其在煤矿开采中起到的作用可谓举足轻重，目前国内外使用较广的采煤机多为滚筒式采煤机，其有着高效采煤、安全采煤的优点。在进行煤岩截割过程中，由于岩层及工况环境使得采煤机极易出现载荷过大的情况，当电机过载时，此时采煤机的齿轮传动系统会发生损坏，甚至损伤电机，导致采煤机工作效率受到影响。国内外现有的采煤机截割部均采用扭转轴传动起过载保护的作用[1-2]。扭转轴是采煤机内部传动过载保护装置，其一端连接，另一端与传动系统进行连接。一旦截割电机出现较大载荷，扭转轴就会在卸荷槽位置及时出现断裂，迅速保护截割电机[3-4]。在实际应用过程中，扭转轴断裂扭矩值及结构设定不同会影响一定的使用，所以本文对扭转轴进行研究，为采煤机安全、高效运行提供有利条件。

应力集中效应是一种由于构件截面尺寸发生突变，使得截面出现局部应力增大现象。截面尺寸相同的情况下，应力匀分布较为平均。在构件沟槽、孔、凸起等部位由于截面尺寸突然发生变化，使得局部应力突变，造成构件发生损坏，应力集中也是影响构件寿命的主要因素。应力集中不光对构件有着负面的影响，其也存在一定的好处，通过合理地利用应力集中现象起到保护构件的效果，扭转轴的卸荷槽正是利用应力集中的原理，通过在扭转轴上设置凹槽，使得其在凹槽位置出现截面尺寸的突变，从而使得在截面位置（卸荷槽）出现应力集中，从而达到及时断裂，保护采煤机截割电机的作用，本文利用数值模拟软件对扭转轴卸荷槽进行分析，首先进行采煤机扭转轴的模型建立。

对模型进行建立，在进行模型建立时首先利用NX8.0软件进行扭转轴的三维模型建立，后将建立的模型导入数值模拟软件中。对模型进行物理参数的设定，设定材料为40CrNiMo，材料的弹性模量为20 900 MPa，材料的泊松比为0.295，材料密度为7 870 kg/m3，材料的抗拉强度和屈服强度分别为960 MPa、820 MPa。对模型进行网格划分，在进行网格划分时充分考虑模拟的精度问题，本文选用软件中自带网格solid186六面体网格进行划分，同时在卸荷槽部位进行网格加密处理，从而在提升模拟精度的同时不会大幅度增加模拟的时间。完成模型网格划分后对模型的边界条件进行设定，在扭转轴两端分别限定模型的位移，仅保留Z轴旋转的自由度完成上述操作后对模型进行模拟计算。

首先对模型进行静力学模拟，设定为2倍功率，在扭转轴花键断面设定压强31.45 MPa，对模型进行计算，扭转轴剪应力云图如图1所示。

图1 扭转轴剪应力云图

由图1可知，采煤机在运行过程中，扭转轴主要受到扭转的作用，所以在运行过程中，扭转轴需要在一定荷载在进行及时断裂，根据模拟云图可以看出，此时在此条件下扭转轴的最大剪切应力出现在扭转轴的卸荷槽位置，在此位置出现的最大应力值为489.46 MPa，而根据材料断裂扭转强度值应当大于508 MPa，所以在此条件下材料受到的剪切应力最大值并未超过材料的断裂强度，所以设计的扭转轴卸荷槽并未起到效果，不能起到过载保护作用。

对不同卸荷槽参数下的扭转轴静力学进行分析，分别对不同U型卸荷槽圆弧半径R值下结构静力学云图分析，分别选定卸荷槽R值27.5 mm、28.0 mm、28.5 mm、29.0 mm、29.5 mm、30.0 mm、30.5 mm进行研究，分别将扭转轴卸荷槽位置的剪切应力最大值进行汇总，汇总不同卸荷槽尺寸下扭转轴应力最大值曲线如图2所示。

图2 不同卸荷槽尺寸下扭转轴应力最大值曲线

根据模拟结果将7种卸荷槽R值下的扭转轴最大剪切应力值进行绘制，并进行拟合，拟合出如图曲线，根据材料的断裂强度508 MPa，代入拟合曲线，经过计算可以得出在R值为29.9 mm时，扭转轴最大剪切应力能够达到508 MPa，所以对卸荷槽尺寸R值29.9 mm时进行静力学模拟分析，模拟云图如3所示。

图3 模拟云图

根据图3可以看出，模拟云图出现应力最大值的位置仍是卸荷槽部位，此时的最大剪切应力值为508.24 MPa，此时扭转轴受到的剪切应力超过材料的断裂强度508 MPa，此时卸荷槽能够及时发生断裂，设计的扭转轴卸荷槽能够起到应有的效果，起到过载保护作用。

对5倍电机额定功率下不同卸荷槽参数下的扭转轴静力学进行分析，卸荷槽R值20 mm、21 mm、22 mm、23 mm、24 mm、25 mm、27.5 mm进行研究，分别将扭转轴卸荷槽位置的剪切应力最大值进行汇总，汇总不同卸荷槽尺寸下扭转轴应力最大值曲线如图4-1所示，同时将最佳扭转轴卸荷槽尺寸进行静力学分析，结果如图4-2所示。

图4 拟合曲线及最佳尺寸模拟云图

根据模拟结果将7种卸荷槽R值下的扭转轴进行绘制，拟合出拟合曲线，将材料断裂强度508 MPa代入拟合曲线，经过计算可以得出在R值为21.3 mm时，扭转轴最大剪切应力能够达到508 MPa，所以对卸荷槽尺寸R值21.3 mm时进行静力学模拟分析，从静力学云图可以看出，当卸荷槽尺寸为21.3 mm时，此时的剪切应力最大值为510.79 MPa，在此条件下卸荷槽能够及时发生断裂，设计的扭转轴卸荷槽能够起到应有的效果，起到过载保护作用。

1）对扭转轴进行静力学分析发现，原有扭转轴在2倍电机额定功率下最大应力值为489.46 MPa，未超过材料断裂扭转强度值508 MPa，卸荷槽无法及时断裂。

2）根据拟合曲线对2倍电机额定功率下不同卸荷槽尺寸下的应力进行分析发现，当R值为29.9 mm时，卸荷槽最大剪切应力为508.24 MPa，超过508 MPa，能够及时断裂。

3）根据拟合曲线对5倍电机额定功率下不同卸荷槽尺寸下的应力进行分析发现，当R值为21.3 mm时，卸荷槽最大剪切应力为510.79 MPa，超过508 MPa，能够及时断裂。