采煤机扭矩轴卸荷槽数值模拟分析

王修永， 沈家宇

（内蒙古昊盛煤业有限公司， 内蒙古 鄂尔多斯 017000）

引言

目前，随着煤矿开采年限的增加，煤矿开采的深度不断加大，煤矿机械的工况环境日益恶劣，所以提升煤矿机械的稳定性是未来机械研究的趋势。采煤机作为我国煤矿开采重要的机械设备，其主要承载着装煤、落煤的任务[1-2]，而扭矩轴时采煤机截割部重要的保护设备，其在工作过程中，当发现截割过程存在较大的扭矩时，此时扭矩轴发生断裂，保护采煤机的截割系统。卸荷槽作为扭矩轴最为薄弱的环节，其在运行过程中常常遇到过载不断或者不合理折断等情况[3-4]，所以，本文利用数值模拟软件对扭矩轴受力进行分析，给出卸荷槽的结构优化设计，为矿井采煤机高效、安全运行提供参考。

1 模型建立

为了分析扭矩轴应力分布情况，首先对扭转轴进行静力学分析，在固定的载荷作用下，得出构件的应力、应变的云图，从而分析结构的设计要求，为后续研究提供基础。首先进行模型的建立，确定本文的分析软件为ABAQUS 数值模拟软件，利用模拟软件的外接模块进行模型的建立，后导入至模拟软件中，扭矩轴长度设定为1 275 mm，卸荷槽位于距离一端290 mm，卸荷槽内径设定为35 mm，扭矩轴的直径为70 mm。对模型的材料进行设定，选定模型的材料时首先要满足扭转轴芯部的硬度，其材料应该拥有足够的刚度及抗疲劳性能，所以在充分考虑好选定材料为42CrMo，选定材料后对模型进行网格划分，在进行网格划分时充分考虑计算的精度及计算的时间，在保证计算精度的同时尽量降低计算时间，经过对比选定四面体C3D8R 单元进行划分，划分后模型共计22 803 个网格。U 型卸荷槽的局部网格划分图如1 所示。

图1 U 型卸荷槽的局部网格划分图

对材料的物理属性进行设定，材料的弹性模量为210 GPa；屈服应力为900 MPa，材料的密度为9.8 g/cm3；材料的泊松比为0.3，完成物理参数设定后对模型的边界条件及加载条件进行设定，对扭矩轴截割部电机进行固定约束设定，同时在滚筒位置施加固定扭矩，根据安全规范要求，设定扭转轴的破坏扭矩为电机额定扭矩的2.2 倍，经过计算可以得出设定的扭矩为7 244 N·m，设定材料的抗扭强度最大值为540 MPa，当扭转轴受到的扭矩大于540 MPa 时，此时扭转轴会发生保护性断裂。

2 数值模拟分析

完成后对模型进行静力学分析。给出三种槽型下的应力云图如下页图2 所示。

从下页图2 中可以看出，在相同扭矩加载条件下，不同卸荷槽结构下的应力云图存在一定的相同点，同时也存在一定的不同，卸荷槽结构为V 型、U型和工型形态时，应力最大值出现的位置均为卸荷槽的轴颈位置，在此位置出现一定的应力集中，且应力集中的现象较为明显，当卸荷槽尺寸为V 型时，此时在卸荷槽的轴颈位置的应力最大值为507 MPa，此时的应力最大值为三种卸荷槽结构下的最大值，同时当卸荷槽结构为U 型时，此时在卸荷槽的轴颈位置出现的最大值为437 MPa，此时的最大值较卸荷槽尺寸为V 型时减小了70 MPa，降低幅度为13.8%，当卸荷槽结构为工字型时，此时在卸荷槽的轴颈位置出现的最大值为454 MPa，此时的最大值较卸荷槽尺寸为V 型时减小了53 MPa，降低幅度为10.4%，从以上分析可以看出，三种槽型应力最大值按照从大至小依次V 型卸荷槽、工字型卸荷槽、U 型卸荷槽，所以在保证稳定的前提下应当选用应力值相对较小的卸荷槽尺寸，所以尽量选用的卸荷槽尺寸为U 型。

图2 卸荷槽应力（MPa）云图

对不同卸荷槽深度（h）下卸荷槽应力分布云图进行分析，选定卸荷槽深度分别为7 mm、8 mm、9 mm 和10 mm，将四种卸荷槽深度下随路径应力变化趋势进行汇总如图3 所示。

从图3 可以看出，在选定U 型卸荷槽的基础上，不同卸荷槽随路径应力应变变化曲线大致呈现出相同的趋势，随着路径距离的不断增大，卸荷槽应力呈现逐步增大的趋势，当卸荷槽深度为7 mm 时，此时的应力最大值为401 MPa；当卸荷槽深度为8 mm 时，此时的应力最大值为451 MPa，较卸荷槽深度7 mm 时增加了50 MPa，增大幅度为12.5%；当卸荷槽深度为9 mm 时，此时的应力最大值为482 MPa，较卸荷槽深度7 mm 时增大了81 MPa，增大的幅度为20.2%；当卸荷槽深度增大至10 mm 时，此时应力最大值为534 MPa，应力最大值较卸荷槽深度7 mm 时增大了133 MPa，增大的幅度为33.2%，可以看出随着卸荷槽深度的增加，应力最大值呈现逐步增大的趋势，而对比不同深度下扭矩轴的应变同样呈现随卸荷槽深度增加而增大的趋势。

图3 不同卸荷槽深度下应力应变曲线

对不同卸荷槽宽度下的扭矩轴的应力应变进行分析，选定卸荷槽宽度分别为3.0 mm、3.5 mm、4.0 mm 和4.5 mm，将四种卸荷槽宽度（b）下随路径应力应变变化趋势进行汇总如图4。

图4 不同卸荷槽宽度下应力应变曲线

从图4 可以看出，选定U 型卸荷槽的基础上，不同卸荷槽宽度下随路径应力应变变化曲线呈现出相同的趋势，且卸荷槽应力应变随U 型槽前沿角度的增大呈现出逐步增大的趋势，当卸荷槽宽度为3.0 mm 时，此时的应力最大值为330 MPa，应力值最小；当卸荷槽宽度为3.5 mm 时，此时的应力最大值为465 MPa，此时应力最大，当卸荷槽宽度为4 mm 时，此时的应变最大值为0.002 85；当卸荷槽宽度为4.5 mm 时，此时应变最大值为0.244 6，所以综上分析可以看出随着卸荷槽宽度的增加，扭矩轴卸荷槽的应力应变均增大，所以在进行卸荷槽设计时应当充分考虑宽度因素。

3 结论

1）利用数值模拟软件对不同卸荷槽形式下应力分布进行研究发现，应力最大值按照从大至小依次为V 型卸荷槽、工字型卸荷槽、U 型卸荷槽。

2）通过分析发现随着卸荷槽深度的增加，应力最大值呈现逐步增大的趋势，而不同深度下扭矩轴的应变同样呈现随卸荷槽深度增加而增大的趋势。

3）随着卸荷槽宽度的增加，扭矩轴卸荷槽的应力应变均增大，所以在进行卸荷槽设计时应当充分考虑宽度因素。